Многие современные технологии кажутся таковыми лишь потому, что в наше время они стали обыденными, распространенными и совершенными (почти). Автомобили, компьютеры, космические аппараты, роботы — все эти технологии были и десятки, а порой и сотни лет тому назад. Разница лишь в том, что тогда они существовали как идеи великих умов науки или литературы, а их практическая реализация больше походила на игрушки. Тем не менее это были основы, которые положили начало тому, что мы имеем сейчас. Но все меняется, как и концепции тех или иных технологий. К примеру, роботы всегда представлялись механизмами, сделанными из твердых и прочных материалов, как минимум их оболочка. Даже знаменитый робот Леонардо да Винчи, созданный им в 1495 году, был облачен в рыцарские латы. Но современные роботы становятся все более мягкими, при чем буквально. Переход от одних материалов к другим приводит к появлению новых сложностей, начиная от проектирования и сборки и заканчивая ремонтом. Но что если головную боль за ремонт повреждений переложить на самих роботов, наделив их регенеративными способностями? Именно этим и занялись ученые из Корнеллского университета (США). Они создали мягкого робота, который может определять наличие дефекта и «заживлять» его. Из чего сделан робот, за счет чего работает его регенерация, и насколько она эффективна? Ответы на эти вопросы мы узнаем из доклада ученых.
Основа исследования
В последние годы интерес к мягким роботам растет с геометрической прогрессией. И это вполне оправдано, ибо такого типа роботы способны выполнять куда больше функций, чем их твердотельные собратья. Помимо этого изготовление и эксплуатация мягких роботов может быть гораздо выгоднее. Но, как и в любой новой технологии, тут имеется ряд проблем, преград и сложностей, которые предстоит обойти, прежде чем мягкие роботы станут стандартом робототехники, а Асимо отправится развлекать посетителей музеев.
В рамках изучения и проектирования мягких роботов особое внимание уделяется мягким и растягивающимся датчикам. Используя изначально мягкие материалы или структурно податливые конструкции, растягиваемые датчики продемонстрировали механически невидимый мониторинг систем с мягким телом, что в противном случае сложно для жестких аналогов на основе кремния.
Датчики с внутренней способностью растягиваться, состоящие из эластомеров, по своей природе устойчивы к повреждениям от ударов тупым предметом благодаря хорошей прочности и устойчивости эластомеров, но, с другой стороны, они уязвимы для колюще-режущих повреждений.
Внедрение систем самовосстановления позволит не только повысить прочность «корпуса», но и сохранить целостность самого датчика. Первоочередной задачей таких систем должно быть своевременное обнаружение повреждения, требующего заживления.
Основной проблемой при создании такой системы является создание самовосстанавливающегося датчика, который одновременно удовлетворяет обоим требованиям (обнаружение повреждения + восстановление), и проблема частично связана со сложностью реализации самого самовосстанавливающегося материала. Функция самовосстановления тензометрических датчиков включает восстановление механических свойств материала и восстановление сигналов датчиков.
Самовосстановление механических свойств полимеров можно реализовать за счет внешнего самовосстановления с помощью реагентов, инкапсулированных в микрокапсулы или подаваемых через сосудистую сеть, или за счет внутреннего самовосстановления путем реорганизации полимерных цепей и связей в поврежденном месте со стимулами или автономно без подвода внешней энергии за счет динамического связывания надмолекулярных взаимодействий или динамической ковалентной химии.
Среди этих механизмов внутреннее самовосстановление посредством динамической связи является самым многообещающим методом ввиду простоты реализации. Благодаря включению проводящих частиц в самовосстанавливающиеся материалы самовосстановление сигналов датчиков может быть достигнуто за счет электрических механизмов восприятия (например, пьезорезистивных, ионных или емкостных).
Однако немногие датчики, где были применены такие методики, смогли обеспечить удовлетворительные характеристики измерения динамической деформации, необходимые для мониторинга движения. Динамическое считывание с самовосстанавливающимися датчиками обычно демонстрирует большой дрейф при непрерывной циклической нагрузке, гистерезис, сильную зависимость от скорости деформации и ограниченный диапазон деформации из-за присущей динамической связи вязкоупругости, которая обеспечивает самовосстановление. Как вывод — датчики, которые одновременно самовосстанавливаются и надежны в динамическом восприятии, пока еще не были разработаны.
В рассматриваемом нами сегодня труде ученые представили автономный самовосстанавливающийся оптический сенсорный механизм — сети самовосстанавливающихся световодов для динамического зондирования (SheaLDS от self-healing light guides for dynamic sensing). По сравнению с электрическими сигналами, для передачи которых требуется физический контакт, распространение света в волноводе за счет полного внутреннего отражения не требует механического контакта. Следовательно, сигнал (т.е. интенсивность выходного света) самовосстанавливающегося оптического волноводного датчика по своей природе устойчив к повреждениям и может автономно восстанавливаться не только при соединении поврежденных интерфейсов, но и при наличии небольших зазоров (например, удаление материала через проколы). Затем функция самовосстановления датчика была дополнена самовосстановлением механических свойств самого материала датчика.
Результаты исследования
Для механического самовосстановления SHeaLDS требуется химический состав материала, отвечающий ключевым требованиям для реализации анализа повреждений. Существует множество химических составов самовосстанавливающихся эластомеров с различными свойствами. Учитывая конструктивные и функциональные особенности разрабатываемой системы, необходимо было, чтобы материал соответствовал ряду требований:
- для автономных роботов материал должен быстро и автономно самовосстанавливаться без посторонней помощи;
- он должен быть прочным;
- в качестве материала для оптомеханических датчиков он должен быть прозрачным и эластичным, чтобы обеспечить надежные измерения.
Уже на этом этапе возникают проблемы, так как создать или подобрать материал, который будет соответствовать всем трем пунктам, не так уж и просто.
Ранее сообщалось, что создание прочных и автономно самовосстанавливающихся полимеров возможно с помощью динамического супрамолекулярного подхода, который сочетает водородные связи для самовосстановления и жертвенные нековалентные связи для повышения прочности материала. Альтернативный метод заключается в применении сильной динамической ковалентной связи (ароматической дисульфидной связи), которая может вступать в реакцию обмена при комнатной температуре.
Изображение №1
Имея на вооружении эти наработки, ученые создали самовосстанавливающуюся систему полиуретанмочевины (sPUU от self-healing polyurethane urea), которая включает в себя динамические связи с многоуровневой прочностью связи для создания прочного и автономного самовосстанавливающегося материала, который также прозрачен и эластичен (1A).
В частности, sPUU сшита прочными, но динамичными ароматическими дисульфидными связями, которые обеспечивают самовосстановление при комнатной температуре. sPUU также имеет обильные водородные связи мочевинной и уретановой групп, способствующие быстрому и автономному самовосстановлению, а также выступающие в качестве жертвенных связей для повышения прочности материала. Поскольку эти жертвенные связи также являются динамическими, рассеянная энергия может быть восстановлена, что позволяет создавать прочные, но эластичные самовосстанавливающиеся материалы.
Полученный материал (1В и 2А) представляет собой автономно самовосстанавливающийся полиуретан (PU от polyurethane), обладающий сверхвысокой ударной вязкостью (UT = 60.6 Мдж/м3), высокой растяжимостью (εu = 1443%), высокой прочностью (σu = 7 МПа) и хорошей оптической прозрачностью (Т~80%).
Видео №1
Разрезание sPUU обнажает многочисленные реакционноспособные дисульфидные концевые группы и водородные связи. По мере того как поврежденные границы раздела приближаются друг к другу и соединяются с плотным физическим контактом, полимерные цепи с этими реакционноспособными концевыми группами взаимно диффундируют на свежих границах раздела, восстанавливая дисульфидные и водородные связи, которые эффективно восстанавливают механическую прочность материала.
Для оптимизации свойств материала для его использования в качестве оптических датчиков выполнялся подбор оптимальной длины полимерной цепи. По мере того как полимерная цепь удлинялась с увеличением молекулярной массы полиола (sPUU650, sPUU1000 и sPUU2000), эластичность улучшалась, а подвижность цепи ухудшалась.
sPUU1000 (поли(тетрагидрофуран) или PTMEG, Mn = 1000 г/моль) самовосстанавливался при комнатной температуре и регенерировал до ε = 747 % [η = 52 % (определено по деформации разрушения)] через 1 час и до ε = 1116 % (η = 77 %) через 24 часа (1C и 1E).
sPUU 2000 (PTMEG, Mn = 2000 г/моль) восстанавливался до ε = 158 % (η = 15 %) при комнатной температуре и требовал нагрева при 80°C в течение 1 часа для восстановления до ε = 970 % (η = 84 %) (1D). Как при комнатной температуре, так и при 40°C за 1 час (1F) sPUU2000 самовосстанавливался до ε ~ 100% (η ~ 10%). Эффективность самовосстановления значительно возрастала при повышенных температурах, близких к 60°C: sPUU2000 восстанавливался до ε = 450% (η = 40%) при 60°C и до ε ~ 970% (η ~ 84%) при 80°C за 1 час. Однако при комнатной температуре даже при времени заживления 24 дня (1D) sPUU2000 мог самовосстановиться только до ε ~ 100% (η ~ 10%).
Эффективность самовосстановления при различных температурах предполагает температуру перехода топологии замерзания (Tv) sPUU2000 между 40° и 60°C, где sPUU2000 проявляет витриметрическое свойство перехода от упругого твердого тела к вязкоупругой жидкости выше Tv.
С другой стороны, sPUU1000 демонстрировал повышенную эффективность самовосстановления с более длительным временем заживления при комнатной температуре (1C), предполагая, что Tv для sPUU1000 ниже комнатной температуры. Течение полимера выше Tv делает возможными быстрые реакции обмена связями, которые в противном случае подавляются при T < Tv, а при T > Tv более высокая температура приводит к более высокой эффективности самовосстановления при том же времени восстановления. В результате ученых выбрали sPUU2000 для дальнейшей оптимизации как эластичности материала, так и характеристик самовосстановления в диапазоне ε < 100%. Далее ученые провели два практических испытания sPUU2000 с разными типами повреждений. В первом случае края повержения были неравномерные и грубые, так как были сделаны с помощью ручной пилы, в результате чего формировалась неоднородная граница раздела (в отличие от той, что образовывалась при использовании лезвия). Во втором — края подвергались старению, т.е. им не давали возможности срастаться какое-то время. После повторного соединения и пребывания в состоянии покоя в течение 1 часа эффективность самовосстановления образца с шероховатой поверхностью ухудшалась по сравнению с чистым срезом из-за нарушенного контакта между поверхностями (1G). Однако образец с шероховатой поверхностью среза все еще мог самовосстанавливаться до ε = 104% (η = 9%) при комнатной температуре и до ε = 742% (η = 65%) при 120°C за 1 час. Следовательно, способность к самовосстановлению сохраняется, несмотря на более сложную структуру границы раздела.
Стоит также учитывать и тот факт, что поверхностное старение может препятствовать самовосстановлению, когда функциональные концевые группы на поврежденном интерфейсе реагируют с влагой или кислородом воздуха (например, насыщение водородных связей). Чтобы исследовать влияние старения поверхности на характеристики самовосстановления материала, ученые разрезали образцы sPUU2000 и выдерживали поврежденные интерфейсы на воздухе при комнатной температуре в течение 5 минут, 2, 24 и 48 часов перед повторным соединением. Время на самовосстановление было ограничено 1 часом.
Как показано на 1H, длительное время старения не ухудшило эффективность самовосстановления. Образцы sPUU2000, состаренные от 5 минут до 48 часов, успешно самовосстановились до ε ~ 90% (η ~ 8%) за 1 час при комнатной температуре. Даже после 48-часового старения поверхности sPUU2000 все еще мог самовосстанавливаться до ε ~ 800% (η ~ 70%) за 1 час при 120°C.
Далее образцы c надрезами поместили в емкость с водой на 10 минут. Эффект старения в водной среде, в отличие от воздушной, оказал некое влияние на эффективность самовосстановления. Однако даже после пребывания в воде sPUU2000 все еще мог самовосстанавливаться до ε ~ 70% (η ~ 6%) за 1 час при комнатной температуре и до ε ~ 900% (η ~ 80%) за 1 час при 120°С.
Следовательно, несмотря на то, что вода могла частично вызвать насыщение и диссоциацию водородных связей в материале, большая часть способности к самовосстановлению сохраняется. Сохранение способности к самовосстановлению может быть связано с водородными связями, остающимися связанными в самовосстанавливающемся материале из-за гидрофобной полиуретановой основы и с реакцией дисульфидного обмена, нечувствительной к воде.
Изображение №2
Опыт ранее проведенных исследований показывает, что принцип оптомеханического восприятия основан на изменении оптического пути всех внутренне отраженных лучей в световоде по мере его деформации.
Когда SHeaLDS разрезается лезвием бритвы (2B), интенсивность излучения временно падает до нуля из-за блокировки распространяющихся лучей. Боковое выравнивание и соединение разрезанных частей немедленно восстанавливают выходную интенсивность с небольшими потерями (2C). Эти потери на связь могут быть очень низкими, поскольку свет проходит через границу между двумя средами с одинаковым показателем преломления (n1 = n2), а интенсивность отраженного света равна нулю…
Большая часть потерь возникает из-за несоосности, а эффективность связи представляет собой отношение площади перекрытия к площади сердцевины световода. Частичные потери также могут возникать ввиду рассеяния света из-за шероховатости поверхности.
Видео №2
Как датчик деформации, SheaLDS автономно восстанавливает чувствительность до ε ~ 80% за 1 час, и измерения соответствуют исходному состоянию с чувствительностью 5.3 дБ/ε. В случае самовосстановление в течение 1 минуты SHeaLDS восстанавливает чуть более ε ~ 20% с повышенной чувствительностью при ε ~ 20% из-за увеличения оптических потерь в состоянии, близком к разрушению (2D). В качестве датчика сгибания SHeaLDS, разделенный на пять частей, автономно восстанавливает чувствительность сгибания до 100° через 1 минуту с измерениями, очень близкими к исходному состоянию (2E).
Благодаря внутренней устойчивости к повреждениям оптического сенсорного механизма и высокой прочности самовосстанавливающегося материала SHeaLDS устойчив к значительному удалению материала. SHeaLDS обнаруживает проколы (2F) по снижению выходной интенсивности выше порогового значения (2G). Прокол создает новую границу раздела между воздухом и сенсорной средой, что приводит к отражательной способности на границе раздела. При попадании световых лучей в пустоты (n2 = 1) из световода (n1 = 1.52) расходимость луча препятствует перехвату части лучей следующим участком световода. По сравнению с исходным состоянием, чем больше материалов удаляется, тем более чувствительными становятся SHeaLDS при измерениях деформации и изгиба, потому что пустоты увеличивают потери.
SheaLDS с шестью отверстиями, каждое из которых удаляет ~ 62% ширины волновода, все еще может многократно измерять деформацию до ε ~ 100% с чувствительностью 14.23 дБ/ε (2H) и изгиб до 100 ° (2I и видео №3), оба с повышенной чувствительностью, чем в исходном состоянии.
Видео №3
Несмотря на повторяющиеся измерения деформации при квазистатическом измерении, измерение динамической деформации с помощью SHeaLDS по-прежнему страдает от вязкоупругости самовосстанавливающегося материала. В процессе разгрузки каждой циклической нагрузки SHeaLDS испытывает внезапное падение сигнала, за которым следует медленное его восстановление (3A).
Изображение №3
Данная реакция может быть связана с вязкоупругостью самовосстанавливающегося материала, где SHeaLDs изгибается в масштабе времени снятия нагрузки и распрямляется до недеформированного состояния со временем восстановления. Время восстановления увеличивается с меньшей скоростью деформации и более высокой максимальной достигнутой нагрузкой.
Для динамического измерения такое поведение означает большой дрейф и гистерезис при непрерывных циклических нагрузках. Дрейф может быть сведен к минимуму при достаточном времени восстановления деформации в зависимости от условий нагружения между каждым циклом нагружения. В любом случае надежное измерение динамической деформации не может быть достигнуто из-за большого гистерезиса, ограниченного диапазона деформации и полосы пропускания.
Чтобы преодолеть проблемы с работой датчиков из-за вязкоупругости, сохраняя при этом способность к самовосстановлению, ученые создали SHeaLDS волнистой формы, которая использует структурную податливость. Волнообразная структура (3B) компенсирует деформации с изменением амплитуды и периода, сводя таким образом к минимуму нагрузку и деформацию самовосстанавливающегося материала.
По мере распрямления волнистой структуры напряжения в самовосстанавливающемся материале на вершинах и впадинах волны изменяются от минимальных (т.е. сил, близких к нулю при ε < 120 %) до более выраженных (ε > 120 %; 3C). Соответственно, динамическое определение деформации не показывает гистерезиса или дрейфа для ε < 120% и увеличения гистерезиса и дрейфа для ε > 120% (3D). Таким образом, диапазон упругих и негистерезисных деформаций для динамических измерений может быть охарактеризован максимальной деформацией, которая поддерживает минимальное напряжение материала (т. е. переходную деформацию от волнообразной к прямой структуре).
Непрерывные циклические нагрузки SHeaLDS (параметры волны: амплитуда A = 5 мм, число периодов n = 3, ширина w = 1 мм) демонстрируют три четко выраженные фазы выходного отклика на возрастающую деформацию (3C и 3D) — снижение интенсивности для ε < 78 % (фаза I), увеличение для 78 % < ε < 120 % (фаза II) и снижение для ε > 120 % (фаза III).
Уменьшение интенсивности в фазе I противоречит логике, так как ожидается, что выходная интенсивность будет монотонно возрастать из-за уменьшения потерь на изгибе по мере выпрямления волнистого датчика.
Моделирование лучей (COMSOL) выявило механизмы, лежащие в основе этого снижения интенсивности: потеря выравнивания связи между светоизлучающим диодом (LED) и волноводом становится сильнее с большими деформациями в результате пространственно фиксированных светодиода и ответвителя. Потери на изгибе на пиках и впадинах волн начинают существенно восстанавливаться только тогда, когда угол изгиба становится больше ~90°. Так, волновые конструкции с недеформированными углами пика, близкими к или более плоскими, чем ~90°, демонстрируют монотонное увеличение интенсивности при выпрямлении волн (n = 2; 3E–3G); более волнистые конструкции с более острыми пиками имеют двухфазный отклик (n = 3 и 4; 3E). Большая амплитуда волны (A) и большее число периодов (n) увеличивают диапазон упругих и негистерезисных деформаций (3E и 3F). Большая ширина датчика также увеличивает этот диапазон, возможно, из-за более широкого волновода, поддерживающего больше мод (3G). SheaLDS (A = 5 мм, n = 4, w = 1 мм) обеспечивает надежное динамическое определение до ε = 140% без гистерезиса или дрейфа в непрерывном циклическом тесте с 500 циклами (3H). Волнистый датчик, разрезанный на 10 частей, мог возобновить растяжение после самовосстановления при комнатной температуре в течение 5 минут (3I и видео №4).
Видео №4
Изображение №4
Далее ученые решили интегрировать SHeaLDS (ii на 4A) в мягкие приводы, создав при этом четвероногого мягкого робота со способностью фиксировать и восстанавливать повреждения своего тела (iv на 4A).
Во время первого опыта ученые проткнули одну из ног робота острым ножом и дали ему лишь несколько минут на восстановление при комнатной температуре без каких-либо внешних раздражителей. Неповрежденная нога сначала циклически сгибалась с частотой 1 Гц и давлением ΔP ~ 15 psi, а срабатывание динамически контролировалось с нормализованной интенсивностью выходного сигнала датчика, колеблющегося между 1 и 0.8 (4B).
Контроллер подсчитывал количество уколов и увеличивал время заживления первых трех уколов, имитируя потребность животного в длительном заживлении при более серьезных травмах. С четвертого по шестой прокол контроллер регулировал время заживления до 1 минуты, демонстрируя способность робота к быстрому восстановлению (4B и видео №5).
Видео №5
После каждого прокола давление срабатывания увеличивалось, дабы компенсировать потерю воздуха ввиду повреждений. Чтобы увеличить дальность обнаружения серьезных повреждений, был увеличен коэффициент усиления фотодиода (PD), когда сигнал обнаружения движения падает близко к порогу обнаружения повреждений из-за слишком большого количества проколов (4B).
Робот демонстрировал способность поддерживать функциональность (т.е. обнаружение повреждений, определение движения, срабатывание и управление с обратной связью) близкую к первичному состоянию даже после шести проколов.
Во втором опыте было использовано пять SHeaLDS для мониторинга походки и состояния повреждения четвероногого робота и управления направлением движения в зависимости от состояния повреждения (4C и видео №6).
Видео №6
Робот сначала двигался вперед волнообразной походкой, когда последовательно приводились в движение передние ноги, среднее тело и задние ноги. Травмированная нога идентифицировалась с помощью SHeaLDS по наиболее существенному снижению интенсивности в сравнение с другими ногами (4C). После обнаружения пореза робот отдыхал в течение 3 минут, а затем поворачивался в направлении, противоположном порезу.
Ученые сделали надрезы на четырех ногах и активировали поворот четыре раза, чтобы продемонстрировать контроль обратной связи на основе повреждений. Сенсорный сигнал оставался неизменным и отражал походку и состояние повреждений, несмотря на порезы. Подвижность робота снизилась из-за наличия общего источника давления приводов, что можно решить, используя один настраиваемый источник давления для каждого отдельного привода.
Для более детального ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых и дополнительные материалы к нему.
Эпилог
В рассмотренном нами сегодня труде ученые продемонстрировали систему SheaLDS, способную самостоятельно восстанавливать повреждения своего корпуса. Хоть самовосстановление повреждений и звучит круто, но куда интереснее и полезнее другое свойство SheaLDS, а именно своевременное обнаружение этих повреждений, что реализовано с помощью датчиков на основе световодов.
Данная система была интегрирована в мягкого робота с четырьмя конечностями (ногами). Затем ученые сделали шесть проколов на одной из ног несчастного подопытного. Робот успешно обнаружил поврежденные участки и восстановил их. На заживление каждого из проколов роботу понадобилось около минуты. Еще одной важной особенностью робота стала адаптация его походки в зависимости от состояния (есть повреждения или нет).
В будущем ученые намерены объединить SheaLDS и алгоритмы машинного обучения, способные распознавать тактильные ощущения, чтобы получить в результате фактически живого робота с кожей, которая не только сможет заживлять раны, но и чувствовать окружающую среду. Такие роботы не только смогу выполнять больше функций, но и смогут делать это с большей осторожностью, избегая ситуаций, когда их тело может получить повреждение. А если травма все же произошла, то заживить ее, как это делает тело человека.
Немного рекламы
Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас, оформив заказ или порекомендовав знакомым, облачные VPS для разработчиков от $4.99, уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps от $19 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).
Dell R730xd в 2 раза дешевле в дата-центре Maincubes Tier IV в Амстердаме? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R420 — 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB — от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?
