Большинство роботизированных захватов изготавливаются либо из мягких пластмасс, которые плавятся при высоких температурах, чтобы поднимать предметы, не повреждая их, либо из металлов, которые являются жесткими и дорогостоящими. Команда исследователей из Национального университета Сингапура (NUS) вместе со своими коллегами из Северо-Восточного лесного университета создали деревянный роботизированный захват, который можно использовать в очень жарких условиях и при этом сохранять нежность на ощупь.
Этот инновационный деревянный роботизированный захват также обладает еще одним преимуществом — он приводится в действие изменениями влажности, температуры и освещения в окружающей среде, что позволяет снизить энергопотребление.
«Древесина обладает отличными механическими свойствами, естественной деформацией, доступна в больших запасах и относительно дешева. В нашей последней работе мы показали, что роботизированные захваты на основе древесины могут преодолеть ограничения традиционных приводов и манипуляторов», — пояснил доцент Тан Сви Чинг, возглавляющий исследовательскую группу с факультета материаловедения и инженерии Колледжа дизайна и инженерной мысли NUS.
Он добавил: «Наш деревянный роботизированный захват может самопроизвольно растягиваться и сгибаться в ответ на воздействие влаги, тепла и света. Он также обладает хорошими механическими свойствами, способен к сложной деформации, широким диапазоном рабочих температур, низкой стоимостью изготовления и биосовместим. Эти уникальные особенности отличают его от обычных альтернатив».
Деревянный захват открывается при воздействии высокой влажности (относительная влажность выше 95%) и плотно закрывается, когда температура окружающей среды превышает 70°C или когда они подвергаются воздействию солнечной радиации.
Исследовательская группа опубликовала свое изобретение в онлайн-версии научного журнала Advanced Materials 26 февраля 2023 года.
Деревянный захват, чувствительный к влаге, теплу и свету
Исследователи создали деревянный роботизированный захват, используя кусочки древесины канадского клена толщиной 0,5 мм. Кусочки древесины сначала обработали хлоридом натрия, чтобы удалить лигнин — компонент, содержащийся в клеточных стенках растений. Большие поры в древесине заполнены полимером под названием полипиррол, который позволяет материалу легче поглощать тепло и свет.
Команда также разработала новый гигроскопичный гель на основе никеля для поглощения влаги. Одна сторона модифицированных деревянных деталей была покрыта влагопоглощающим гелем. С другой стороны была прикреплена гидрофобная пленка. Эта разница между влажностью и сухостью позволяет древесине быстро поглощать водяные пары с одной стороны, и это ускоряет изменение формы деревянного захвата при воздействии высокой влажности.
Затем деревянным заготовкам придавали форму захвата при температуре 70°C с помощью специальных форм. При помещении в среду с относительной влажностью 95% (т.е. стимуляция увлажнения) гигроскопичный гель впитывал влагу, а деревянный захват растягивался и постепенно раскрывался наружу.
«При воздействии высокой температуры окружающей среды, превышающей 70 °C (тепловая стимуляция), деревянный захват начал прогибаться внутрь и достиг максимального изгиба при 200 ° C», — объяснила г-жа Бай Лулу, докторант кафедры материаловедения и инженерии NUS и первый автор статьи.
Команда также протестировала деревянный захват при различной интенсивности освещения, при этом слой гидрофобной пленки был обращен к источнику света. Когда световое освещение повысило температуру поверхности захвата примерно до 42°C, влагопоглощающий гель начал терять воду, и захват начал прогибаться внутрь, прежде чем достичь значительного изгиба примерно при 57°C.
Деревянный захват остался неповрежденным после 100 циклов приведения в действие, продемонстрировав свою стабильность и надежность при длительном использовании.
Подъем предметов при высоких температурах
«Мы также проверили работоспособность деревянного захвата, поднимая предметы при высоких температурах. В наших экспериментах деревянный захват успешно поднимал груз весом 200 граммов (что эквивалентно банке газировки) при температуре около 170°C. Это невозможно для большинства приводов, изготовленных с использованием мягкого полимера. В зависимости от конструкции деревянный захват может выдерживать нагрузку, в 10 000 раз превышающую вес самого захвата», — пояснил профессор Чэнь Вэньшуай из Северо-Восточного лесного университета и соавтор исследовательской статьи.
Профессор Тан и его команда в настоящее время работают над улучшением характеристик деревянного захвата, например, сокращением времени сгибания примерно с двух минут в настоящее время, увеличением весовой нагрузки, которую он может выдерживать, а также над захватом предметов различных форм и размеров. Они также находят способы снизить затраты и расширить производство деревянного захвата.
При дальнейшем проектировании конструкции и улучшении эксплуатационных характеристик команда надеется разработать улучшенную версию деревянного захвата, которая поможет пожарным проводить спасательные операции.