Svømmerobot med blød krop bruger kun lys til kraft og styring

I et papir i Videnskab robotik , materialeforskere fra UCLA Samueli School of Engineering beskriver et nyt design til en svømmerobot, der både er drevet og styret af konstant lys.

Enheden, kaldet OsciBot, fordi den bevæger sig ved at svinge halen, kunne i sidste ende føre til design til oceangående robotter og autonome skibe. Dens design er inspireret af et naturligt fænomen kaldet phototaxis - bevægelse mod eller væk fra en lyskilde - som findes i hele dyreriget. Både vandmænd og møl, for eksempel, tiltrækkes af lys.

OsciBot demonstrerer, at bevægelse ved oscillation kan være direkte drevet af konstant lys, frem for at stole på lysenergi, der er blevet høstet og lagret i et batteri. Den er udelukkende lavet af et blødt materiale kaldet en hydrogel, der svulmer, når den placeres i vand og reagerer på lys. Enheden kræver ikke batterier eller skal kobles til en anden strømkilde.

Forskernes første mål var at afgøre, om de kunne skabe en ny måde at bruge en konstant energikilde til at få et objekt til at bevæge sig i et oscillerende mønster.

At gøre det, de byggede en 2 centimeter lang fleksibel cylinder og forankrede den til bunden af ​​en vandtank. Da de rettede en lysstråle mod cylinderen, de fandt ud af, at lyset fik det til at bøje så hurtigt som 66 gange i minuttet - og at ved at flytte lyskildens position, de kunne lede enheden til at bøje både til venstre og højre og op og ned.

Forskerne fastslog også, at hastigheden, hvormed enheden svinger, kan justeres baseret på cylinderens længde og tykkelse samt hvor meget lys der bruges.

Bevæbnet med en forståelse af, hvordan man skaber den oscillerende bevægelse, holdet brugte den samme hydrogel til at bygge en robot formet som et rektangulært surfbræt, med en forlænget undervandshale.

Når lys fra en laser rammer en plet på halen, det sted opvarmes. Den lille temperaturstigning får den del af robotten til at udstøde noget af sit vand og skrumpe i volumen, som flytter halen mod lyskilden. Efter at den er rykket op, halen skaber en skygge, der afkøler sektionen, hvor laseren oprindeligt kom i kontakt med robotten, hvilket får halen til at sænke sig igen.

Så længe lyset rammer målet, processen gentager sig, skabe en flagrende bevægelse. Forskere observerede halen blafre 35 gange i minuttet, hurtig nok til at bevæge robotten 1,15 gange dens kropslængde i minuttet - eller cirka dobbelt så hurtigt som sammenlignelige robotter, der drives af intermitterende lys.

"Typisk, at generere oscillation er afhængig af intermitterende energiinput, såsom pulserende lys eller vekselstrøm, " sagde Ximin He, en UCLA assisterende professor i materialevidenskab og teknik, og undersøgelsens hovedforsker. "Derimod denne undersøgelse viser en ny måde at generere oscillation på, ved at bruge en konstant energitilførsel, der er let tilgængelig fra det omgivende miljø og billig at udnytte."

Forskerne fandt også ud af, at ved at omplacere lyset, de kunne styre robotten rundt i små sving, viser, at lys også kan bruges til at manøvrere enheden.

"Dette er virkelig en fundamental demonstration af, at direkte og konstant lys kan drive og bestemme bevægelse, " sagde undersøgelsens hovedforfatter, Yusen Zhao, en UCLA ph.d.-studerende i materialevidenskab og teknik. "Det kunne være et skridt i retning af en række robotdesigner, der er løsnet og drevet udelukkende af det tilgængelige lys i deres omgivelser, i stedet for at stole på tunge batterier eller strømkabler."

Hvis bygget i større skala, et lignende design kunne i sidste ende bruges til store undervandspropeller eller vindsejl, der bruger sollys til at manøvrere; i mikroskopiske størrelser, tilgangen kunne bruges til at udvikle en robot, der udfører præcisionskirurgiske procedurer. (I det tilfælde, lyset kunne komme fra et separat medicinsk instrument.) Ingeniører kunne også justere designet for hastighed og manøvredygtighed.

"Skønheden ved den gel-baserede foto-oscillator er dens designs enkelthed, " Han sagde. "Samspillet mellem det 'smarte' bløde materiale og det miljømæssige lys muliggjorde dets selvregulerende bevægelse."

Han sagde, at designet kunne tilpasses til at bruge andre former for energi - akustiske bølger, eller elektroniske eller magnetiske signaler, for eksempel.