Мягкие миниатюрные роботы, прыгающие под действием инфракрасного излучения

Способ перемещения с помощью прыжков позволяет микроробототехническим системам эффективно преодолевать сложный рельеф и различные препятствия, однако реализация многократных прыжков требует не только быстрого высвобождения накопленной энергии, но и ее последующего повторного накопления с возвращением конструкции в исходное состояние. Исследователи разработали мягкого робота, который решает эту задачу за счёт специфической геометрии и свойств материала, совершая непрерывные прыжки при постоянном инфракрасном излучении, самостоятельно восстанавливая форму после каждого цикла без использования электроники и внешнего механического сброса.

В основе системы лежит кольцо из фототермически активного жидкокристаллического эластомера (LCE) с некруглым поперечным сечением, жёстко соединённое с V-образным хвостовым элементом. Размер конструкции составляет около 20 мм. Под воздействием инфракрасного излучения в эластомере возникает температурный градиент, вызывающий анизотропное термическое сжатие и скручивание материала. Жёсткое соединение кольца с хвостовым элементом нарушает симметрию конструкции, связывая скручивание кольца с изгибом хвоста. Хвостовой элемент сопротивляется кручению кольца и одновременно изгибается из его плоскости, благодаря чему в конструкции постепенно накапливается энергия упругой деформации.

При достижении критического угла скручивания в системе происходит динамическая потеря устойчивости (прохлопывание). Накопленная потенциальная энергия за доли секунды конвертируется в кинетическую: хвостовой элемент резко поворачивается, ударяет по опорной поверхности и подбрасывает конструкцию в воздух. Во время свободного полёта, после прекращения контакта с поверхностью и снятия внешних механических связей, происходит релаксация внутренних напряжений и постепенное возвращение эластомера в исходное состояние. Приземление робота происходит уже в первоначальной конфигурации, после чего цикл запускается заново: постоянное излучение вызывает деформацию эластомера, скручивание кольца и накопление энергии, за которыми следуют потеря устойчивости, прыжок и восстановление формы в полёте. Система продемонстрировала устойчивую работу более чем в 500 последовательных циклах.

Математическое поведение конструкции описывается стержневой моделью Коссера (Cosserat-rod model), в которой порог потери устойчивости определяется вырождением матрицы Якоби системы уравнений статического равновесия. Изменяя геометрию V-образного хвостового элемента и распределение массы, можно управлять динамикой полёта. Смещение центра масс вперёд позволяет предотвратить нежелательные перевороты в воздухе и перераспределить начальный импульс: от преимущественно вертикального прыжка на высоту более 80 собственных размеров тела до направленного горизонтального прыжка дальностью более трёх длин тела.

Робот сохраняет работоспособность на сложных сыпучих и растительных покрытиях, включая гравий, траву, песок и мульчу, продолжая движение даже после столкновения с препятствиями. Модификация с гидрофобным покрытием, добавлением восстановленного оксида графена для усиления фототермического эффекта и удлиненным хвостовым элементом позволяет роботу перемещаться по поверхности воды в режиме гребного движителя. При достижении берега он способен преодолеть поверхностное натяжение и выйти на сушу. Такой подход открывает перспективы для создания автономных платформ-амфибий, исследовательских зондов и робототехнических систем, предназначенных для работы в сложных неструктурированных средах.

Полная научная статья доступна на сайте PNAS.