6 Minutės
Virdžinijos universiteto (University of Virginia) mokslininkai sukūrė HydroSpread — gamybos metodą, leidžiantį minkštus, ultraplonius robotus formuoti tiesiog ant vandens paviršiaus. Tokiu būdu įmanoma pagaminti lapo dydžio įrenginius, kurie irkluoja arba net „žingsniuoja“ per tvenkinio arba balos paviršių. Ši nauja technologija gali pagreitinti naudojimąsi aplinkos stebėjimo sistemomis bei medicininiais dėvimaisiais prietaisais, nes supaprastina trapių plėvelių gamybą ir jų raštų formavimą, sumažinant perkelimo ir apdorojimo riziką.
Naujas būdas kurti minkštuosius robotus ant skysčių paviršių
Iki šiol įprasta gaminti minkštuosius robotus taip: plonas polimerų plėveles formuojama ant kieto pagrindo, pavyzdžiui, stiklo ar silicio juostelių, o vėliau jos labai atsargiai perkeliamos į kitą aplinką. Šis perkelimo etapas yra itin jautrus — plėvelės dažnai įplyšta arba deformuojasi. HydroSpread pakeičia šį darbo eigą: polimeras išpilamas kaip lašeliai ant vandens, kur jie natūraliai išsisklaido ir susiformuoja į vienodas, nuo nanometrų iki mikroometrų storio plėveles tiesiai ant skysčio paviršiaus. Pats vanduo veikia kaip savaime išsilyginantis darbo stalas, todėl nereikia kieto pagrindo.
Šio metodo privalumas — sumažinta mechaninė įtampa gamybos metu. Kadangi plėvelės formuojamos ir apdorojamos ant skysčio, jos mažiau tempiasi ir nesusiduria su kietųjų paviršių sukeliamomis deformacijomis arba mikroįplyšimais. Dėl to išlieka geresnės mechaninės savybės ir vientisumas, leidžiantis gauti plaukiančius, lanksčius įrenginius, kurių dydis ir masė primena vandens eironių (angl. water striders) aptinkamus sprendimus gamtoje: lengvi, maži ir tinkami pasinaudoti paviršiaus įtempimo jėgomis judėjimui.
Technologiškai HydroSpread apjungia paviršiaus fizikos principus su pažangia mikroapdirbimo įranga. Polimeriniai lašeliai, patekę ant vandens, skystėja ir susilygina dėl paviršiaus įtempimo ir gradiento sutapimo, sudarydami vienalytį sluoksnį. Vėliau mokslininkai naudoja fokusuotą lazerį norimų formų išpjovimui — nuo paprastų juostelių, apskritimų iki sudėtingų logotipų ar išraiškingų struktūrų — be jokio pakėlimoo ar perkelimo ant kieto paviršiaus. Tai eliminuoja daugelį ankstesnių gamybos rūpesčių ir praplečia projektavimo galimybes subtilioms struktūroms.
Nuo laboratorinių prototipų iki praktinių pritaikymų
Naudodami HydroSpread, UVA mokslininkai sukonstravo du demonstracinius prototipus: HydroFlexor, kuris varomas finų tipo irklais, ir HydroBuckler, imituojantis "ėjimą" per kontroliuojamą kojų tipo elementų išbucklinimą. Laboratorijoje šie prietaisai buvo valdomi infraraudonųjų spindulių kaitintuvu, pastatytu virš vandens paviršiaus; šiluma sukeldavo asimetrinį sluoksnių išsilenkimą arba perlinkimą, kas generuodavo irklavimo arba žingsniavimo judesius. Kaitinant arba atvėsinant galima kontroliuoti greitį ir kryptį — tai parodė pakartotinai valdomą, nuspėjamą judėjimą.
Tokie eksperimentai iliustruoja, kaip paprasti stimuliavimo metodai gali sukelti kompleksiškus judesius iš plonų sluoksnių. HydroFlexor naudoja paddle‑panašius plėvelės išsišakojimus, kurie, esant temperatūros gradientui, sulinksta ir atstumia vandenį, sukurdami stūmos jėgą. HydroBuckler pasinaudoja sluoksnių mechaniniu nestabilumu: į tam tikras zonas įdėjus kontrastines mechaniškai aktyvias medžiagas arba sluoksnius su skirtingais termoelastiniais koeficientais, šilumos aktyvacija sukels vietinį „įvyniojimą" arba bucklingą, imituojantį žingsnį. Abi strategijos demonstruoja, kad net paprastos fizikiniu požiūriu sistemos gali atlikti koordinuotus motorinius veiksmus, jeigu yra tinkamai suprojektuotos medžiagos ir geometrija.
Ateities iteracijose mokslininkai planuoja pereiti nuo išorinių šilumos šaltinių prie autonominių aktyvacijos mechanizmų: natūralios saulės energijos, įterptų mikro-šilumokaičių, elektros šildymo sluoksnių ar magnetinių laukų valdomų komponentų. Tokie sprendimai leistų plaukiojantiems robotams veikti savarankiškai be nuolatinių išorinių prietaisų, padidintų ilgaamžiškumą ir sumažintų eksploatacijos kaštus. Pavyzdžiui, saulės energija gali būti konvertuojama tiesiogiai į šilumos gradientą ant plėvelės paviršiaus, sukeliančią irklavimą, arba magnetiškai aktyvuojami sluoksniai gali atlikti preciziškus judesius reaguodami į nuotolinį signalą.
Be mažųjų vandens paviršiaus robotų, HydroSpread taikymo spektras yra platesnis. Ši technologija gali palengvinti itin trapių, lankstų elektronikų ir jutiklių gamybą dėvimiesiems prietaisams, minkštiesiems medicininiams įrenginiams arba plačiai paskirstytoms aplinkos stebėjimo sistemoms, kurioms reikalingos plonos, konformiškos struktūros veikiamos drėgnoje arba jautrioje aplinkoje. Pvz., galimos nedidelės plėvelinės sensorių stotelės, kurių nereikia tvirtai pritvirtinti prie kieto pagrindo ir kurios gali būti paskleistos didesniu mastu vandens telkiniuose, norint stebėti taršą, biologinę veiklą ar temperatūros variacijas.
Išvados ir tolimesni žingsniai
HydroSpread žymi paradigmos pasikeitimą gamybos požiūriu: naudojant skysčių paviršius kaip gamybinius stalus, mokslininkai sumažina perkėlimo metu atsirandančius nuostolius ir atveria naujas dizaino galimybes itin plonoms, lanksčioms struktūroms. Nors dabartinės demonstracijos yra pirminės ir skirtos idėjos įrodymui, metodas rodo praktiškas, žemos kainos galimybes mažiems, vandens paviršiumi judantiems robotams bei kitoms lankstioms technologijoms, kurioms standūs materialai netinka.
Tolimesni darbai daugiausia bus orientuoti į autonominės aktyvacijos sistemas, gamybos mastelio didinimą ir išbandymus realiomis sąlygomis. Reikia ištirti medžiagų atsparumą ilgalaikiam poveikiui — UV spinduliams, mikroorganizmams ir mechaniniam dilimui — taip pat eksploatacinių sąlygų įtaką (vėjui, bangavimui, taršai). Be to, prireiks optimizuoti gamybos procesus taip, kad jie būtų suderinami su pramoniniu gamybos mastu: didelio našumo lašelių sklaidos valdymas, lazerinio pjaustymo greitinimas, sluoksnių integracija su jutikliais ir energijos kaupimo elementais. Platus bandymų ciklas natūralioje aplinkoje, pavyzdžiui, užterštose upėse, miestuose su potvyniais ar atvirose ežerų ekosistemose, bus būtinas siekiant patvirtinti ilgaamžiškumą ir patikimumą.
Strateginis pritaikymas gali apimti kelis sektorius: ekologinę stebėseną (vandens kokybės monitorings), avarinį reagavimą (mažos prietaisų flotilės paviršiaus zonose), mediciną (ploni, lengvi diagnostiniai pleistrai, kurie gali tirti biofilmus drėgnose sąlygose) arba net švietimą ir tyrimus, kur pigi, lengvai gaminama technologija pradėtų naujas eksperimentų kryptis. Konkurencinę persvarą suteikia HydroSpread universalumas: galimybė įgyvendinti mikroskalės polimerines architektūras tiesiog ant vandens reiškia mažesnes investicijas į specializuotus kietus substratus ir mažėjančias praradimų sąnaudas dėl apdirbimo klaidų.
Apibendrinant, HydroSpread atveria kelią link naujos kartos minkštųjų robotų ir lankstų technologijų, sukurtų ir veikiančių aplinkose, kur tradicinės, standžios konstrukcijos negali būti taikomos. Ateities sėkmė priklausys nuo daugiadisciplininio bendradarbiavimo: medžiagų mokslų, mechanikos, lazerinio apdirbimo, energetikos ir ekologijos specialistų pastangų, kurie kartu galėtų paversti šią metodiką patikima, mastelį keičiančia pramone.
Šaltinis: scitechdaily
Komentarai