Sfere mici de cauciuc folosite pentru a face un fluid programabil

Construirea unui robot care ar putea ridica obiecte delicate, cum ar fi ouă sau afine, fără a le zdrobi o mulțime de algoritmi de control acel proces se alimentează de la sisteme de viziune avansate sau senzori care emulează simțul tactil uman. Cealaltă cale a fost să te arunci în tărâmul roboticii soft, ceea ce înseamnă de obicei un robot cu rezistență și durabilitate limitate.

Acum, o echipă de cercetători de la Universitatea Harvard a publicat un studiu în care au folosit o pinza hidraulică simplă, fără senzori și fără sisteme de control. Tot ce aveau nevoie era ulei de silicon și o mulțime de mingi minuscule de cauciuc. În acest proces, au dezvoltat un metafluid cu un răspuns programabil la presiune.

Sfere de cauciuc pentru înot

„Mi-am făcut doctoratul în Franța pentru a înota o cochilie sferică. Pentru a-l face să înoate, îl făceam să se prăbușească. S-a mișcat ca un [inverted] meduze”, spune Adel Djellouli, cercetător la Bertoldi Group, Universitatea Harvard și autorul principal al studiului. „I-am spus șefului meu: „hei, ce se întâmplă dacă pun această sferă într-o seringă și cresc presiunea?” El a spus că nu este o idee interesantă și că asta nu va face nimic”, susține Djellouli. Dar câțiva ani și câteva respingeri mai târziu, Djellouli l-a întâlnit pe Benjamin Gorissen, profesor de inginerie mecanică la Universitatea din Leuven, Belgia, care îi împărtășea interesele. „Aș putea face experimentele, el ar putea face simulări, așa că ne-am gândit că putem propune ceva împreună”, spune Djellouli. Astfel, sfera de cauciuc a lui Djellouli a intrat în sfârșit în seringă. Iar rezultatele au fost destul de neașteptate.

Sfera are o rază de 10 mm, iar pereții săi de cauciuc siliconic cu grosimea de 2 mm înconjoară un buzunar de aer. A fost pus într-un recipient cu 300 ml apă. Când presiunea din recipient a început să crească, sfera, la 120 kPa, a început să se deformeze. Odată ce a început să se deformeze, presiunea a rămas relativ constantă pentru un timp, chiar dacă volumul ocupat de fluid a continuat să scadă. Lichidul cu o sferă în el nu se mai comporta ca apa – avea un platou pronunțat în curba sa presiune/volum. „Metafluidele – lichide cu proprietăți reglabile care nu există în natură – au fost teoretizate de Federico Capasso și colegii, care dorea să obțină un lichid cu indice de refracție negativ. Au început cu optică pe atunci, dar privind comportamentul apei cu această sferă de cauciuc în ea, am știut că ceea ce avem era un metafluid”, spune Djellouli.

Amestecarea fluidelor programabile

Punerea unei singure sfere de cauciuc în apă a fost doar un punct de plecare. „Întotdeauna am avut această idee în fundul capului: Ce s-ar întâmpla dacă aș pune multe dintre ele?” Djellouli i-a spus lui Ars. Deci, echipa sa a început să experimenteze cu diferite dimensiuni și numere ale sferelor din mediu și folosind diferite medii, cum ar fi uleiul de siliciu. „Puteți regla presiunea la care se activează sferele modificându-și raza și grosimea pereților. Când faceți sferele mai groase, aveți nevoie de mai multă energie pentru a le face să se catarame și astfel presiunea de activare va fi mai mare”, explică Djellouli.

Există și alți parametri care pot fi modificați pentru a programa proprietățile dorite în metafluid. Acestea includ fracția de volum – practic cât de mult din volumul total al fluidului este luat de sfere – și structura sferelor, deoarece fluidul se comportă diferit atunci când puneți sfere cu dimensiuni și grosimi diferite în el. De asemenea, puteți regla acest lucru folosind amestecuri de sfere cu proprietăți diferite. „Dacă variația de dimensiune și grosime a sferelor este foarte strânsă, veți avea un platou de presiune foarte plat atunci când acestea se activează. Dacă aveți o distribuție mai largă, tranziția de la toate desfăcute la toate cu cataramă va fi mai lină”, spune Djellouli. Utilizarea diferitelor amestecuri de sfere permite, de asemenea, mai multe platouri la presiuni diferite într-un fluid. „În acest fel puteți regla cu precizie curba presiune/volum”, adaugă Djellouli.

Prin reglarea acelor curbe, echipa sa a reușit să construiască o prindere hidraulică inteligentă care funcționează fără a fi nevoie de senzori sau sisteme de control.