Zbudowanie robota, który może podnosić delikatne przedmioty, takie jak jajka czy jagody, bez ich miażdżenia, wymaga wielu algorytmów sterujących, które przetwarzają sygnał z zaawansowanych systemów wizyjnych lub czujników naśladujących ludzki zmysł dotyku. Innym sposobem było zagłębienie się w świat robotyki miękkiej, czyli zazwyczaj robota o ograniczonej wytrzymałości i trwałości.
Teraz zespół naukowców z Uniwersytetu Harvarda opublikował badanie, w którym zastosował proste sprzęgło hydrauliczne bez czujników i systemów sterowania. Potrzebowali tylko oleju silikonowego i mnóstwa małych gumowych piłek. W trakcie tego procesu opracowano metapłyn z programowalną reakcją na ciśnienie.
Gumowe piłki do pływania
„Zrobiłem doktorat we Francji na temat pływania kulistej muszli. Aby sprawić, by pływała, zapadaliśmy się [inverted] „Meduza” – mówi Adel Jalouli, badacz z grupy Bertoldiego na Uniwersytecie Harvarda i główny autor badania. „Powiedziałem mojemu menadżerowi: A co, jeśli włożę tę kulkę do strzykawki i podniosę ciśnienie?” Stwierdził, że to nie jest ciekawy pomysł i że to nic nie da, jak twierdzi Jalouli. Jednak kilka lat później, po kilku odmowach, Jalouli poznał Benjamina Goresena, profesora inżynierii mechanicznej na Uniwersytecie w Leuven w Belgii, który podzielał jego zainteresowania. „Ja mogłem przeprowadzać eksperymenty, on mógł przeprowadzać symulacje, więc pomyśleliśmy, że moglibyśmy coś wspólnie zaproponować” – mówi Jalouli. I tak gumowa kulka galaretki w końcu trafiła do strzykawki. Wyniki były zupełnie nieoczekiwane.
Kulka ma promień 10 mm, a jej ścianki z gumy silikonowej o grubości 2 mm otaczają kieszeń powietrzną. Umieszczono go w misce z 300 ml wody. Kiedy ciśnienie w pojemniku zaczęło rosnąć, kula pod ciśnieniem 120 kPa zaczęła się wyginać. Gdy zaczął się wyginać, ciśnienie pozostawało przez jakiś czas względnie stałe, mimo że objętość zajmowana przez płyn w dalszym ciągu malała. Ciecz zawierająca kulkę nie zachowywała się już jak woda, lecz miała raczej wyraźne plateau na krzywej ciśnienie/objętość. „Metapłyny – płyny o przestrajalnych właściwościach, które nie występują w przyrodzie – zostały opracowane przez… Federico Capasso i współpracownicyKto chciał uzyskać ciecz o ujemnym współczynniku załamania światła. Zaczynali wtedy od optyki, ale patrząc na zachowanie wody w tej gumowej piłce, wiedzieliśmy, że mamy do czynienia z metapłynną cieczą.
Programowalne mieszanie płynów
Punktem wyjścia było wrzucenie pojedynczej gumowej piłki do wody. „Zawsze miałem z tyłu głowy ten pomysł: co by się stało, gdybym włożył tego za dużo?” Jalouli powiedział Arsowi. Dlatego jego zespół zaczął eksperymentować z różnymi rozmiarami i liczbą kulek w ośrodku oraz przy użyciu różnych mediów, takich jak olej silikonowy. „Możesz regulować ciśnienie, przy którym kulki się aktywują, zmieniając ich promień i grubość ich ścianek. Kiedy grubsze kulki wymagają więcej energii, aby je skręcić, więc ciśnienie aktywacji będzie wyższe” – wyjaśnia Jalouli.
Istnieją inne parametry, które można zmienić, aby zaprogramować pożądane właściwości metacieczy. Obejmuje to udział objętościowy – czyli w zasadzie ilość całkowitej objętości cieczy wchłoniętej przez kulki – oraz strukturę kulek, w przypadku której ciecz zachowuje się inaczej, gdy umieścisz w niej kulki o różnych rozmiarach i grubościach. Można to również dostosować, stosując mieszankę domen o różnych właściwościach. „Jeśli różnica w wielkości i grubości kulek jest zbyt mała, po ich aktywacji uzyskasz bardzo płaski poziom nacisku. Jeśli masz szerszy rozkład, przejście od wszystkich klamer do wszystkich klamer będzie płynniejsze” – mówi Jalouli umożliwia także osiągnięcie wielu plateau przy różnych ciśnieniach w jednym płynie: „W ten sposób można precyzyjnie dostroić krzywą ciśnienie/objętość” – dodaje Jalouli.
Dostosowując te krzywe, jego zespół był w stanie zbudować inteligentne sprzęgło hydrauliczne, które działa bez potrzeby stosowania czujników i systemów sterowania.
