Создание жидкометаллического робота

Изобретение деформируемого робота из жидкого металла: научная фантастика входит в реальность

Открытие такого явления, как множественная деформация жидкого металла, предвещает наступление новой эры гибких роботов, а обнаружение эффекта самодвижущихся бионических моллюсков из жидкого металла обеспечивает исследованиям в этой сфере стремительный подъём. На сегодняшний день роботы из жидкого металла признаны одним из десяти наиболее перспективных направлений в области робототехники. По мере того, как исследования продолжают продвигаться вперед, одна за другой создаются серии жидкометаллических роботов различной формы.

Робот – это интеллектуальная машина, которая выполняет свои функции автономно или полуавтономно. Существует ли робот, который умеет переключаться между различными формами для выполнения специальных задач, с которыми трудно справиться традиционным роботизированным устройствам? Например, в процессе ликвидации последствий землетрясения робот может изменить свою форму, просочиться через щели в руинах здания и завершить миссию по обнаружению и спасению. Другой пример: получив огромный ущерб, робот может мгновенно восстановить себя и продолжить выполнять свои функции. Интересно, что сущность этого феномена уже рассматривалась в китайской мифологии: Ту Синсун может проходить прямо через щель в земле, Сунь Укун обладает магией трансформации по желанию.

Реализация способности произвольной деформации заложена не только в мифологии, но и в давнем желании научно-технических и инженерных кругов всего мира. Образ деформируемого «жидкого» робота T-1000 из научно-фантастического фильма «Терминатор» отражает это давнее желание. Жидкометаллический робот способен превращаться в текучую жидкость, которая проникает через любую щель и медленно собирается на поверхности, самостоятельно формируясь в человеческую форму. Даже если туловище расколото пополам, оно мгновенно восстанавливается. Это причудливое воображение стало конечной целью интенсивной и кропотливой работы группы ученых. Объектом их исследований является технологический прототип машины для производства жидкого металла T-1000. Китай находится на переднем крае международной конкуренции в этой области.

Типичными характеристиками жидких металлов являются хорошая текучесть, сверхвысокая электро- и теплопроводность, низкая температура плавления и высокая температура кипения, высокое поверхностное натяжение и проявление реакции на различные раздражители. Деформируемые жидкометаллические роботы в основном состоят из галлия и сплавов на его основе. Они обладают интеллектуальными характеристиками отклика и могут выполнять функции автономно или полуавтономно. Как только технология робототехники из жидкого металла совершит прорыв и воплотит научную фантастику в реальность, произойдёт революция во всех аспектах повседневной жизни человека.

Крупномасштабная деформация жидкого металла

В 2014 году китайские учёные впервые показали, что жидкие металлы могут обратимо переключаться между различными формами. Так началась новая эра, в которой машины из жидкого металла постепенно входят в нашу реальность из научной фантастики. Исследователи обнаружили, что жидкий металл на основе галлия, погруженный в воду, проявляет значительные деформационные свойства при воздействии низкого напряжения. Лужа жидкого металла мгновенно сжимается в металлические капли, а площадь поверхности изменяется в тысячи раз, и металл может легко проходить даже в узкие отверстия.

Жидкий металл может «клонировать» несколько капель и упорядоченно перемещаться в одну сторону. Мало того, два отдельных шарика жидкого металла могут приближаться друг к другу и сливаться в один. Регулируя напряжение и положение электрода, жидкий металл также может обеспечивать высокоскоростное вращение и направленное высокоскоростное перемещение.

Кроме того, разработчики обнаружили, что благодаря совместному химико-электрическому контролю и точному регулированию поверхностного натяжения можно добиться полностью обратимого деформационного поведения, а жидкий металл можно обратимо регулировать между сферой и растекающимся состоянием. Исследователи выяснили, что эта серия деформационных процессов связана с образованием двойного межфазного слоя и обратимым окислением поверхности жидкого металла.

Регулировка контактной подложки и типа электролита также может привести к более «странному» поведению. Например, на поверхности графита, погруженного в щелочной раствор, жидкий металл быстро растекается и принимает большее количество форм. Под действием электрического поля жидкий металл может даже ползти под влиянием силы тяжести. В сочетании с твердотельными устройствами, напечатанными на 3D-принтере, жидкий металл также может использоваться в качестве деформируемого колеса. При воздействии низкого напряжения он может приводить корпус в движение. При попадании в узкий канал жидкий металл деформируется.

Исследовательская группа постепенно расширяла свои методы. Посредством эндоцитоза металла жидкому металлу придаются характеристики магнитного отклика, чтобы избавиться от проблемы, связанной с тем, что машина ограничена средой, в которой находится раствор, и добиться контролируемого перемещения в трёхмерном пространстве. Благодаря регулированию магнитного поля машина для производства жидкого металла также может осуществлять обратимое переключение между твердым и жидким металлами, что позволяет создавать деформируемого робота, сочетающего в себе жесткость и мягкость.

Эти фундаментальные открытия произвели революцию в понимании людьми деформируемых машин из жидкого металла. Описанные выше явления трудно воспроизвести с помощью традиционных жестких материалов или жидкостей. Фактически, такое поведение удовлетворяло основным элементам построения машины для деформирования жидкого металла и открыло новый путь для разработки нового типа деформируемой машины. Эта работа вызвала большой международный резонанс и стала началом развития нового научно-технического направления.

Ползающий робот из жидкого металла

Ползающие мягкие роботы – это класс роботов, разработанных из гибких и деформируемых материалов, которые могут свободно изменять свою форму и выполнять некоторые двигательные функции. После сотен миллионов лет эволюции различные существа в природе могут быстро передвигаться в сложной природной среде посредством изменений тела. Например, гусеница на дереве использует сокращение тела и изменение силы трения головы и хвоста для достижения направленного ползания и перемещения между листьями.

Жидкий металл обладает хорошей теплопроводностью и может быстрее отводить тепло. Исследователи использовали эту характеристику для создания ползающего роботизированного устройства, который умеет управляемо двигаться при температурной стимуляции. Учёные смешали жидкий металл с высокой теплопроводностью с низкокипящей жидкостью и силиконовым каучуком, чтобы разработать жидкометаллический композитный материал с функцией температурного отклика в виде туловища ползающего робота, так что он может достигать быстрого крупномасштабного расширения и сжатия при воздействии внешней температуры. С помощью выборочно захватывающих и расслабляющих (изменяющих трение) ножек, ползающий робот способен в полной мере использовать контролируемые свойства усадки и расширения жидкометаллических композитных материалов при горячей и холодной стимуляции, чтобы изменить длину туловища и двигаться вперед.

Широкое внимание привлекли не только исследования, разработка и применение бионических роботов-червяков, ползающих по земле, но и машины для прыжков, перекатывания и других движений. Например, использование жидкого металла для выработки водорода и последующего взрыва для получения энергии может позволить роботам с подскакивающими движением прыгать в десятки раз выше собственного роста и легко преодолевать препятствия, демонстрируя огромный потенциал применения в области разведки и спасения. Использование тепловой, химической или электростимуляции дают возможность непрерывного управления движениями капель жидкого металла, что заставляет колёсных роботов изменять свой центр тяжести и выполнять функцию непрерывного перекатывания.

Новые устройства этой серии компенсируют недостатки жесткой конструкции и сложного привода традиционных роботов. Сфера применения роботов расширяется и создаются условия для разработки специальных роботизированных систем.

Подводный робот из жидкого металла

Мы живем на планете, где акватория составляет около 71% от общей площади Земли. Под этим бескрайним водным пространством скрыты огромные сокровища, и для того, чтобы изучить подводный мир, необходимо использовать специальных роботов.

Многие люди видели медузу. Она кристально прозрачна, её движения красивы, плавны, гибки и эффективны при плавании. Поэтому она стала объектом подражания для создания подводных роботов. Жидкий металл обладает хорошей текучестью и электропроводностью при комнатной температуре. Основываясь на этом свойстве, исследователи изготовили робота-медузу, который может работать под водой, и провели комплексные испытания.

Чтобы подготовить робота-медузу из жидкого металла, разработчики сначала изготовили силиконовый проточный канал методом инверсионного формования и впрыснули жидкий металл в проточный канал, тем самым сделав эластичную мембрану со спиралью из жидкого металла. Затем постоянный магнит поместили в зонтичное тело медузы для создания магнитного поля, в котором электрический ток проходил через катушку из жидкого металла. При подаче переменного тока плёнка притягивалась и отталкивалась, а щупальца двигались вверх и вниз.

Этот метод использует движение гибкой катушки из жидкого металла в электромагнитном поле для реализации движения робота-медузы под водой. Эксперименты показали, что этот бионический подводный механизм передвигается мягко и практически не оказывает воздействия на окружающих существ. Он обладает уникальными преимуществами и, как ожидается, будет использоваться при проведении подводных спасательных работ, для отбора проб, мониторинга морского дна и разведки ресурсов.

Микро- наноробот из жидкого металла

Микро- нанороботы относятся к области молекулярной бионики. Они используют биологические принципы молекулярного уровня в качестве прототипов для создания миниатюрных роботов в микро- и нанопространстве. Благодаря своим уникальным преимуществам разработки микро- нанороботов привлекли внимание большого числа специалистов во всём мире, а некоторые результаты научных работ начали применять в области медицины и обороны.

В предыдущих исследованиях разработчики использовали известные биологические или клеточные структуры в качестве структурного каркаса для создания микро- нанороботов и получили хорошие результаты: были созданы наномашины, нанодвигатели и сосудистые роботы. Итак, можно ли использовать жидкие металлы как класс интеллектуальных мягких материалов с превосходными эксплуатационными характеристиками для изготовления микро- и наномашин с широким диапазоном применения? Ответ однозначный: да.

После нескольких лет напряженной работы китайская технология микро- наноробототехники из жидкого металла достигла большого развития. Учёные изготовили множество жидкометаллических микро- нанороботов и постепенно применяли их на практике. Разработчики также обнаружили, что звуковое поле способно регулировать большое количество микро- наночастиц жидкого металла для реализации таких функций, как движение микро- нанокапель. Благодаря этому свойству, контролируемому звуковым полем, жидрокометаллические микро- нанороботы могут быть использованы для целенаправленного лечения заболеваний. Зная о превосходных качествах жидких металлов, есть основания полагать, что в ближайшем будущем микро- нанороботы из жидких металлов будут играть большую роль во многих направлениях.

Самодвижущийся робот из жидкого металла

Возможно, самым удивительным поведением жидких металлов является то, что они в состоянии обрести способность к длительному движению, поглощая «топливо» как жизнь. Первая в мире автономная самодвижущаяся машина из жидкого металла, или бионический моллюск, появилась на свет в 2015 году, ознаменовав наступление новой эпохи и указав человечеству путь к разработке автономной и независимой деформируемой машины типа «терминатора».

Исследование показало, что жидкий металл, помещенный в раствор электролита, способен восполнять энергию, «проглатывая» незначительные количества алюминиевой фольги для достижения высокой скорости и эффективности перемещения. Металлические машины диаметром всего в несколько миллиметров могут продолжать двигаться более 1 часа, а скорость может достигать тысяч миллиметров в минуту.

Интересно, что деформационная машина умеет не только перемещаться на свободном участке, но и извиваться вперед в специальном пространстве канала, а также регулировать свой собственный объём в соответствии с шириной канала, чтобы проходить по нему более плавно. Машины для производства жидкого металла в круглом канале могут быть разделены на несколько небольших частей, которые начинают преследовать друг друга и в конечном итоге сливаются в одно тело, продолжающее движение.

Размер машины для производства жидкого металла бывает большим или маленьким, варьируясь от десятков микрон до десятков миллиметров. Она может автономно перемещаться в нейтральных и даже в кислотно-щелочных растворах. Что еще интереснее, так это то, что графитовая поверхность жидкометаллической машины, помещенной в раствор электролита, умеет автономно вытягивать псевдоножки, как бы исследуя окружающую среду, что довольно близко к поведению простейших существ в природе.

Также был раскрыт механизм явления самодвижения: эндогенное электрическое поле, образованное жидким металлом, металлическим топливом и т. д., индуцирует разницу в поверхностном натяжении жидкого металла, тем самым вызывая сильную тягу в деформированной жидкометаллической машине. Кроме того, газ, образующийся во время электрохимической реакции, дополнительно способствует движению жидкого металла. Двойное действие обеспечивает самоходное поведение жидкого металла. Основываясь на этом принципе, исследователи разработали жидкометаллический насос, не требующий внешнего питания, который может осуществлять транспортировку жидких лекарств и охлаждающей жидкости и, как прогнозируется, будет использоваться в роботах для кровеносных сосудов или полостей, устройствах охлаждения чипов и т. д.

Это прорывное открытие заложило теоретическую и техническую основу для разработки практических деформируемых роботов и вызвало большой резонанс на международном уровне. Оно было рассмотрено и освещено в журналах Nature, Nature Materials, Science News и т. п. Всемирно известные журналы опубликовали материалы, в которых говорилось, что настоящий жидкометаллический «терминатор» Т-1000 был рождён в китайской лаборатории.

Перспективы

В целом, в отличие от традиционных твердотельных роботизированных устройств, появление «жидких» машин привело к появлению новой концепции деформируемых роботов, которая была признана одним из наиболее перспективных основных направлений в области робототехники. Жидкометаллические машины всё ещё находятся на ранних стадиях развития, большинство из которых относятся к освоению базовых технологий. До разработки трансформера типа «терминатор», который действительно может быть применён в жизни, ещё далеко. Тем не менее, нет никаких сомнений в том, что текущий прогресс достаточно стремителен. Сюжеты в научно-фантастических фильмах становятся всё ближе к реальности.

В научных и промышленных кругах существует большой спрос на деформируемые машины. Поэтому необходимо, чтобы большое количество учёных и представителей отрасли работали сообща. Это поможет создать базовую теоретическую основу, преодолеть технические узкие места, воспользоваться возможностями развития и способствовать скорейшей индустриализации деформируемых роботов из жидкого металла.

В исследованиях жидкометаллических роботов по-прежнему лидируют научные команды из Китая, включая Университет Цинхуа, Китайскую академию наук, Университет науки и техники Китая, Харбинский технологический институт, Университет Сучжоу, Пекинский университет аэронавтики и астронавтики, Уханьский университет, Университет науки и техники Хуачжун, Шэньчжэньский университет и другие исследовательские институты.

В качестве новой концепции и промышленной отрасли деформируемые машины из жидкого металла содержат множество исследовательских возможностей, таких как разработка интеллектуальных композитных материалов из жидкого металла, раскрытие уникального механизма деформации новых материалов и создание средств регулирования и т. д. Жидкометаллические макро- и микророботы найдут применение в биологии, робототехнике, электронике и других направлениях. Изобретение деформируемых жидкометаллических роботов создаёт богатое исследовательское пространство для передовых дисциплин.