En blød fototaktisk svømmerobot bygget ved hjælp af en selvforsynende hydrogeloscillator

Forskere ved University of California, Los Angeles (UCLA) og California NanoSystems Institute i Los Angeles har for nylig udviklet en blød svømmerobot baseret på en selvbærende hydrogeloscillator. Denne robot, præsenteret i et papir udgivet i Videnskab robotik , fungerer under konstant lysindgang uden behov for et batteri.

"Når jeg skinnede lys på en blød, hurtigt reagerende hydrogel søjle, Jeg observerede, at søjlen begyndte at svinge rundt om den optiske stråle, "Yusen Zhao, en ph.d. studerende involveret i forskningen, sagde. "Det så meget spændende ud for mig, og jeg spekulerede på:Hvordan kan et konstant input producere intermitterende output? Under hvilke forhold sker oscillationen? Ville den være kraftig nok til at drive og svømme i vand, og i sidste ende føre til solsejl? Med disse spørgsmål, Jeg fortsatte systematiske undersøgelser med det formål at nå disse mål."

Zhao og hans kolleger udviklede en blød oscillator lavet af en lysfølsom blød gel, som er støbt i form af en søjle eller strimmel. Når lys rammer en plet af denne gel-søjle, det absorberes automatisk og omdannes til varme. Det lokalt opvarmede sted på robotten får den til at udstøde noget af sit vand og krympe i volumen, hvilket resulterer i, at dens hale bøjer mod lyskilden.

"Efter at den har bøjet sig, selve halen blokerer lyset, " forklarede Zhao. "Således, det skyggede sted afkøles øjeblikkeligt og svulmer igen, hvilket får halen til at sænke sig igen. Denne proces gentager sig hurtigt, hvilket resulterer i en flagrende bevægelse, der varer så længe, ​​der lyser."

Da gelsøjlen er lavet til at være sammensætningsmæssigt homogen og geometrisk symmetrisk, den er i stand til at reagere på lys fra vilkårlige retninger, som kan dække næsten hele 3-D-rummet. Oscillatoren har næsten uendelige frihedsgrader, en vigtig fordel for robotteknologi.

Forskerne evaluerede deres svømmerobot med dens krop flydende på vandoverfladen og halen under vandlinjen for at fastslå effektiviteten af ​​dens design. De fandt ud af, at da lyset skinnede på robottens hale, det svingede op og ned, i sidste ende får robotten til at svømme væk fra lyset. Denne unikke egenskab ved at bevæge sig i retning af en lyskilde efterlignede fototaxiadfærden hos mange levende dyr såsom plankton og møl, giver et nyttigt middel til navigation og manøvrering via fjernbetjening.

"Skønheden ved den bløde robot er enkelheden i dens design, "Ximin He, Zhaos vejleder på undersøgelsen, fortalte TechXplore. "Hele robotten er lavet af en enkelt homogen hydrogel, hvilket ekstremt forenkler fremstillingen og gør den billig."

For at fremstille den selvbærende hydrogel-oscillator og få den til en ønsket form, forskerne sprøjtede precursoropløsningen ind i en foruddefineret form, UV-hærdede gelen, og fjernede det fra formen. Da princippet bag realiseringen af ​​robotten er meget generelt og bredt anvendeligt, oscillatoren kan bygges af mange materialer.

"Det er spændende at have opdaget et nyt universelt princip om at generere oscillerende bevægelse med miljømæssig energikilde, " sagde han. "Med dette, vi indså, at konstante miljømæssige stimuli, såsom lys, kan generere kraftig oscillation med et så simpelt materiale til at drive og bevæge sig i vand, styret af lyset retningsbestemt. Dette giver et generelt middel til at høste og omdanne miljøenergi til kinetisk energi og mange andre former for energi til at udføre meningsfuldt arbejde."

I deres undersøgelse, Zhao, Han og deres kolleger afslørede en ny metode til at generere oscillerende bevægelser ved hjælp af naturligt forekommende energikilder. Forskere, der anvender denne metode til at bygge oscillatorer, kan vælge mellem en bred vifte af stimuli-responsive materialer, alt efter den type energi, de ønsker at høste.

Svømmerobotten skabt af forskerne er drevet af fotooscillation, og dens bevægelser styres af konstant lys; dermed, det er ubundet, batterifri og intelligent. Det er en af ​​de første helt bløde robotter, der nogensinde er udviklet, som også er letvægts, lavpris og let at implementere.

"Vi planlægger nu at optimere materialerne yderligere for at kunne oscillere under bredere forhold, såsom temperatur, lysets bølgelængder, etc., " sagde Zhao. "Vi leder også efter flere applikationer, såsom signalføling, energihøst, og andre robotbevægelser."

© 2019 Science X Network