Команда исследователей под руководством Майкла Бартлетта из Virginia Tech разработала перчатку, вдохновленную способностями осьминога, способную надежно захватывать предметы под водой. Их исследование было выбрано для обложки журнала Science Advances от 13 июля.
Люди от природы не приспособлены к тому, чтобы жить в подводной среде. Мы используем баллоны с кислородом, чтобы дышать, неопреновые костюмы, чтобы защитить и согреть наши тела, и защитные очки, чтобы четко видеть. В такой среде человеческая рука плохо приспособлена для удержания предметов. Любой, кто пытался удержать извивающуюся рыбу, скажет, что нашим сухопутным пальцам трудно удерживать подводные предметы.
“Бывают критические моменты, когда это становится помехой”, – сказал Бартлетт, доцент кафедры машиностроения. “У природы уже есть несколько замечательных решений, поэтому наша команда обратилась за идеями к миру природы. Осьминог стал очевидным выбором для вдохновения”.
Водолазы-спасатели, подводные археологи, а также спасательные команды – все они используют свои руки для извлечения людей и предметов из воды. Человеческие руки, обладающие низкой способностью удерживать скользкие предметы, для выполнения задач в подводном мире должны прибегать к большему усилию, и железная хватка иногда может поставить под угрозу эти операции. Когда требуется деликатное прикосновение, было бы полезно иметь руки, предназначенные для работы под водой.
Команда Бартлетта в Лаборатории мягких материалов и конструкций адаптировала биологические решения к новым технологиям, объединив мягкие материалы и робототехнику.
Вдохновляясь из мощной адгезией
Осьминог – одно из самых уникальных существ на планете, как известно, у него имеется восемь длинных щупалец, которые могут хватать множество предметов в водной среде. Данные щупальца покрыты присосками, управляемыми мышечной и нервной системами морского животного.
Каждая присоска, имеющая форму наконечника вантуза, обеспечивает мощную хватку. После того, как широкий внешний обод присоски касается предмета, мышцы сокращаются и расслабляют область чашечки за ободком, чтобы усилить и затем ослабить давление. Множество задействованных присосок создает прочную адгезионную связь, которую трудно разорвать.
Интересно то, что осьминог управляет более чем 2000 присосками на восьми щупальцах, обрабатывая информацию от различных химических и механических сенсоров.
Воплощение идеи
Чтобы создать свою перчатку, исследователи сосредоточились на том, чтобы переосмыслить присоски: гибкие резиновые ножки, покрытые мягкими мембранами с приводом. Новая конструкция была создана для выполнения той же функции, что и присоска осьминога — для надежного прикрепления к предметам при легком нажатии, идеально подходящая для приклеивания как к плоским, так и к изогнутым поверхностям.
Разработав механизмы адгезии, исследователи также нуждались в способе, с помощью которого перчатка могла бы ощущать предметы и вызывать адгезию. Для этого они привлекли доцента Эрика Марквика из Университета Небраски-Линкольна, который добавил множество micro-LIDAR оптических датчиков приближения, которые определяют, насколько близко находится объект. Затем присоски и LIDAR были соединены через микроконтроллер для сопоставления факта обнаружения объекта с зацеплением присоски, имитируя таким образом нервную и мышечную системы осьминога.
Использование датчиков для зацепления присосок также делает систему адаптируемой. В естественной среде осьминог обвивает конечностями выступы в скалах и поверхности, прикрепляясь к гладким раковинам и шершавым ракушкам. Исследовательская группа также хотела создать что-то, что казалось бы естественным для людей и позволяло бы им без особых усилий подбирать предметы, приспосабливаясь к различным формам и размерам, как это сделал бы осьминог. Их решением стала перчатка с синтетическими присосками и датчиками, тесно интегрированными друг с другом, – гармония носимых систем, принимающих самые разные формы под водой. Они назвали свое устройство Octa-glove.
“Объединив мягкие, отзывчивые адгезивные материалы со встроенной электроникой, мы можем захватывать предметы без необходимости сжимать их”, – сказал Бартлетт. “Это делает обращение с мокрыми или подводными предметами намного проще и естественнее. Электроника может быстро активировать и ослаблять адгезию. Просто поднесите руку к какому-нибудь предмету, и перчатка сделает всю работу по захвату. Все это может быть сделано без нажатия каких-либо кнопок.”
Тестирование перчатки
В ходе тестирования исследователи испробовали несколько различных режимов захвата. Для манипулирования тонкими и легкими объектами они использовали один датчик. Ученые обнаружили, что могут быстро поднимать и отпускать плоские предметы, металлические игрушки, цилиндры, а также ультрамягкий гидрогелевый шарик. Перенастроив сенсорную сеть так, чтобы использовать все датчики для обнаружения объектов, они также смогли захватывать более крупные объекты, такие как тарелка, коробка и миска. Плоские, цилиндрические, выпуклые и сферические объекты, состоящие как из твердых, так и из мягких материалов, прилипали и поднимались, даже когда пользователи не хватали объект.
“Эти возможности имитируют сложные действия головоногих моллюсков и обеспечивают платформу для синтетических подводных клейких оболочек, которые могут надежно манипулировать различными подводными объектами”, – сказал аспирант Рави Тутика.
Заглядывая в будущее, исследователи предполагают, что перчатка сыграет важную роль в области мягкой робототехники для подводного захвата предметов, применения в технологиях и здравоохранении, а также в сборки и манипулировании влажными объектами.
Подробнее: Sean T. Frey et al, Octopus-inspired adhesive skins for intelligent and rapidly switchable underwater adhesion, Science Advances (2022). DOI: 10.1126/sciadv.abq1905. www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abq1905
Журнал: Science Advances
