Использует свет для ориентации в пространстве плавающий робот OsciBot

В статье, опубликованной в журнале Science Robotics, ученые из Школы инженерии Самуэли при Калифорнийском университете в Лос-Анджелесе описывают новый дизайн плавательного робота .

О роботе OsciBot

Его дизайн вдохновлен природным явлением, называемым фототаксисом - движением к источнику света или от него, - которое встречается в животном мире. Например, медузы и мотыльки двигаются к свету.

OsciBot демонстрирует, что чтобы передвигаться с помощью колебаний хватит обычного света, и не стоит полагаться на энергию, которая была собрана и сохранена в батарее. Он сделан полностью из мягкого материала, называемого гидрогелем, который набухает при помещении в воду и реагирует на свет. Устройство не требует батарей.

Первой целью исследователей было определить, могут ли они создать новый способ использования постоянного источника энергии, чтобы заставить объект двигаться в колебательном режиме.

Для этого они построили гибкий цилиндр длиной 2 сантиметра и закрепили его на дне резервуара для воды. Когда они направили луч света на цилиндр, они обнаружили, что свет заставлял его изгибаться со скоростью 66 раз в минуту - и что, перемещая положение источника света, они могли направлять устройство как влево, так и вправо,вверх, и вниз:

Исследователи также определили, что скорость, с которой устройство колеблется, может регулироваться на основе длины и толщины цилиндра, а также от того, сколько света используется. Вооружившись пониманием того, как создавать колебательные движения, команда использовала тот же гидрогель, чтобы построить робота в форме прямоугольной доски для серфинга с вытянутым подводным хвостом. Когда свет от лазера попадает в пятно на хвосте, это пятно нагревается.

Небольшое повышение температуры приводит к тому, что часть робота выталкивает часть воды и сжимается в объеме, что перемещает хвост к источнику света. После перемещения вверх хвост создает тень, которая охлаждает участок, где лазер изначально соприкасался с роботом, что заставляет хвост снова опускаться. Пока свет попадает в целевое пятно, процесс повторяется, создавая колебательное движение.

Исследователи наблюдали, как хвост колеблется 35 раз в минуту, достаточно быстро, чтобы перемещать робота в 1,15 раза больше его длины тела в минуту - или примерно в два раза быстрее, чем сопоставимые роботы, работающие от прерывистого света. «Как правило, генерация колебаний зависит от прерывистого поступления энергии, такого как импульсный свет или переменный электрический ток», - сказал Симин Хе, доцент UCLA, преподаватель материаловедения и инженерии, и главный исследователь.

«Напротив, это исследование показывает новый способ генерации колебаний, используя постоянный ввод энергии, который легко доступен из окружающей среды и недорогой для использования». Исследователи также обнаружили, что, перемещая свет, они могли бы направить робота показывая, что свет также можно использовать для маневрирования устройства. «Это действительно фундаментальная демонстрация того, что прямой и постоянный свет может влиять и определять движение», - сказал ведущий автор исследования Юсен Чжао, аспирант UCLA в области материаловедения и инженерии.

«Это может быть шагом к разнообразию роботизированных конструкций, которые не управляются и питаются исключительно от имеющегося в их окружении света, а не опираются на тяжелые батареи или силовые кабели». Если бы построенный в большем масштабе, подобный дизайн мог бы в конечном счете использоваться для больших подводных винтов или ветряных парусов, которые используют солнечный свет, чтобы работать.

При микроскопических размерах этот подход может быть использован для разработки робота, который выполняет точные хирургические процедуры. (В этом случае свет может исходить от отдельного медицинского инструмента.) Инженеры также могут настроить дизайн на скорость и маневренность. Он сказал, что конструкция может быть адаптирована для использования других видов энергии - например, акустических волн, электронных или магнитных сигналов.

Он также является членом Калифорнийского института наносистем в Калифорнийском университете. Другие авторы UCLA - бывшие докторанты Чэнь Сюань и Сяоши Цянь; аспиранты Юсиф Алсаид и Мутян Хуа; и Лихуа Джин, доцент кафедры машиностроения и аэрокосмической техники.

Заключение

Исследование было поддержано Управлением военно-морских исследований, Управлением научных исследований ВВС США и Фондом стипендиатов им. Хеллмана Чжао.