Статья опубликована в Труды Национальной академии наук (PNAS).

"Это первый случай, когда эти концепции были фундаментально продемонстрированы", - сказал Крис Эллисон, ведущий автор статьи и профессор кафедры химической инженерии и материаловедения Университета городов-побратимов Миннесоты. "Разработка новых способов производства имеет первостепенное значение для конкурентоспособности нашей страны и для доведения новых продуктов до людей. Что касается роботизации, то роботы все чаще используются в опасных, отдаленных средах, и это те области, где эта работа может оказать влияние ".

Мягкая робототехника - это развивающаяся область, где роботы изготавливаются из мягких, податливых материалов в отличие от жестких. Мягкие растущие роботы могут создавать новый материал и "расти" по мере движения. Эти машины могут быть использованы для операций в отдаленных районах, куда люди не могут попасть, таких как проверка или установка труб под землей или навигация внутри человеческого тела для биомедицинских целей.

Современные роботы для мягкого выращивания оставляют за собой шлейф из твердого материала и могут использовать тепло и / или давление для преобразования этого материала в более прочную структуру, подобно тому, как в 3D-принтер подается твердая нить для получения изделия определенной формы. Однако дорожку из твердого материала становится все труднее прокладывать на изгибах и поворотах, что затрудняет роботам передвижение по местности с препятствиями или извилистыми тропами.

Команда Университета Миннесоты решила эту проблему, разработав новое средство экструзии - процесс, при котором материал проталкивается через отверстие для создания определенной формы. Использование этого нового процесса позволяет роботу создавать свой синтетический материал из жидкости, а не из твердого вещества.

"Мы были действительно вдохновлены тем, как растут растения и грибы", - сказал Мэтью Хаусладен, первый автор статьи и аспирант кафедры химической инженерии и материаловедения городов-побратимов Университета Миннесоты. "Мы взяли идею о том, что растения и грибы добавляют материал в конце своих тел, либо на кончиках корней, либо на новых побегах, и перевели это в инженерную систему".

Растения используют воду для транспортировки строительных блоков, которые превращаются в твердые корни по мере роста растения наружу. Исследователи смогли имитировать этот процесс с синтетическим материалом, используя метод, называемый фотополимеризацией, который использует свет для преобразования жидких мономеров в твердый материал. Используя эту технологию, мягкий робот может легче преодолевать препятствия и извилистые пути без необходимости тащить за собой какой-либо твердый материал.

Этот новый процесс также находит применение в производстве. Поскольку в методике исследователей используются только жидкость и свет, операции, использующие тепло, давление и дорогостоящее оборудование для создания и придания формы материалам, могут не потребоваться.

"Очень важной частью этого проекта является то, что в нем участвуют ученые-материаловеды, инженеры-химики и инженеры-роботехники", - сказал Эллисон. "Объединив весь наш разный опыт, мы действительно привнесли в этот проект нечто уникальное, и я уверен, что ни один из нас не смог бы сделать это в одиночку. Это отличный пример того, как сотрудничество позволяет ученым решать действительно сложные фундаментальные проблемы, оказывая при этом технологическое воздействие".

Исследование финансировалось Национальным научным фондом.

В дополнение к Эллисону и Хаусладену в исследовательскую группу вошли исследователи кафедры химической инженерии и материаловедения Университета Миннесоты Боран Чжао (постдокторант) и Лоррейн Фрэнсис (заслуженный профессор Колледжа науки и техники); а также исследователи кафедры машиностроения Университета Миннесоты Тим Ковалевски (доцент) и Мэтью Кубала (аспирант).

Видео мягкого растущего робота, прокладывающего извилистый путь: https://youtu.be/-Ez7m9LO4ZY

Видео, объясняющее идею исследования, вдохновленного растениями: https://youtu.be/8zZ8RivrrWc