Для подводных работ — от сбора пластиковых отходов до извлечения ценных ресурсов и изучения экосистем морского дна — нужны захваты, которые были бы одновременно и мягкими, и прочными. Традиционным захватам не хватает гибкости, а мягкие устройства не справляются с большими грузами. Международная исследовательская группа под руководством профессора Се Гуанмина из Пекинского университета разработала решение, вдохновленное осьминогами, которое позволяет избежать этого компромисса и обеспечивает самую быструю смену жесткости на сегодняшний день.
Новое устройство под названием Octopus-Inspired Upward Transport Robot (OUT-Robot) имитирует мультимодальную стратегию захвата, которой пользуется осьминог. Секрет устройства — в специально разработанной «руке» с изменяемой жесткостью, в которой используется полимер с памятью формы (ППФ) — полимолочная кислота (ПМК) — в сочетании с трехслойным термоинтерфейсом. «Мы создали термодинамическую синергию между материалом, геометрией и подводной средой», — объясняет профессор Се. «Внутренний силиконовый слой равномерно распределяет тепло, внешний слой служит временным барьером при нагревании, а окружающая вода становится активным теплоотводом при охлаждении».
Эта продуманная конструкция обеспечивает потрясающую скорость: захват размягчается всего за 1,3 секунды при подаче напряжения и затвердевает за 0,8 секунды после прекращения нагрева. Обычным системам подобного типа часто требуются десятки секунд для охлаждения на воздухе.
Ключевое новшество — манипулятивный подход «мягко-жесткий гибрид». Во время захвата манипуляторы остаются гибкими, что позволяет встроенным присоскам идеально прилегать к неровным поверхностям. После того как объект захвачен, манипуляторы быстро охлаждаются и фиксируют его форму, удерживая тяжелые предметы без постоянного подвода энергии.
Результаты экспериментов подтверждают значительное улучшение. Одна рука с усиленным ППФ демонстрирует примерно в 25 раз большую жесткость, чем рука без ППФ. «Шестирукий захват» обеспечивает совместное усилие захвата, превышающее 4 ньютона (эквивалентно >400 граммам). Режим всасывания обеспечивает дополнительную универсальность за счет увеличения силы предварительного сцепления в 2,2 раза по сравнению с предыдущими конструкциями.
Чтобы доказать практическую ценность устройства, команда протестировала захват в бассейне глубиной 2 метра, заполненном камнями, рыболовными сетями, пластиковыми бутылками, трепангами, морскими гребешками, хрупкой тарелкой, алюминиевым профилем и 500-граммовой бутылкой. Захват легко переключался между режимами: снимал легкую рыболовную сеть (весом менее 1 г), собирал хрупкие биологические образцы и поднимал тяжелую бутылку. «Робот может работать с разными объектами — от очень легких обломков до тяжелых твердых отходов весом более 500 граммов — и выполнять все операции за один раз», — подчеркивает Се.
OUT-Robot сочетает в себе активный контроль плавучести и манипулирование. После захвата объекта и фиксации робот надувает свой мягкий корпус, чтобы увеличить плавучесть, и поднимается вверх, пассивно поднимая объект на поверхность. «Фаза захвата требует около 75 джоулей энергии в течение 1,3 секунды, в то время как последующее всплытие практически не требует энергии», — отмечает профессор Се. Эта стратегия значительно снижает общее энергопотребление по сравнению с системами с постоянным питанием. Кроме того, робот может двигаться под водой во всех направлениях, координируя сгибание рук, и преодолевать расстояние в 70 см за 55 секунд в заданном направлении.
По мнению авторов, эта технология открывает возможности для автономных морских операций, восстановления экосистем и океанических миссий. «Превращая подводную среду из источника тепловой нагрузки в активный компонент контура управления, мы создаем масштабируемую конструкцию, которую можно использовать для выполнения задач по распределенному сбору данных, — говорит профессор Се. — Мы предлагаем надежное, эффективное и бесшумное решение для защиты океанов».
