Исследователи из Университета Рутгерса создали светочувствительные трехмерные печатные искусственные «мышцы», которые способны изменять свой внешний вид и форму по требованию. Роботизированные устройства основаны на новом гидрогеле, созданном на основе адаптируемых клеток кальмаров, каракатиц и осьминогов. После воздействия светового раздражителя эластичный материал способен сжиматься и менять цвет, потенциально обеспечивая его применение в бытовой электронике или даже в военной камуфляже в будущем.
«Электронные дисплеи повсюду, и, несмотря на значительный прогресс, они основаны на жестких материалах, что ограничивает их формы, - сказал ведущий автор исследования Ховон Ли. «Наши исследования поддерживают новый инженерный подход с использованием камуфляжа, который можно добавить к мягким материалам и создать гибкие, красочные дисплеи».
Осьминоги похожи на хамелеонов тем, что они могут обратимо изменять тон или текстуру кожи в соответствии с окружающей средой. Для этих морских существ и их головоногих родственников этот механизм используется либо для общения, либо для уклонения от хищников, но поведение также вызвало интерес у исследователей.
Предыдущие исследования показали, что осьминоги своими уникальными способностями обязаны тысячам светоотражающих клеток, называемых хроматофорами, которые естественным образом растут на их коже. Хотя механизм до конца не изучен, ученые знают, что клетки прикреплены к мышцам, которые растягиваясь, открывают мешочки, содержащие цветные пигменты.
Несмотря на то, что цветовая модуляция, вдохновленная головоногими моллюсками, испыталась и раньше, чувствительные и исполнительные функции реплик часто выполнялись отдельно. В результате эти устройства на основе кальмаров имеют громоздкие и сложные системы управления, которые излучают магнитные сигналы, необходимые для запуска механизма изменения цвета.
Создав свои светочувствительные искусственные хромофоры (или LAC - Light-responsive Artificial Chromophores), команда Rutgers стремилась преодолеть это, создав полностью интегрированное адаптируемое устройство. Однако для этого инженерам потребуется разработать новый реактивный гидрогель, который после фотоотверждения даст материал, способный срабатывать по требованию.
Во время своего исследования команда разработала «умный гель», состоящий из полимера, наполненного наночастицами, который был способен превращать свет в тепловую энергию и вызывать срабатывание. Используя свой новый материал, команда смогла напечатать светочувствительную мышцу для своего LAC, которая также имела «мешок» и жесткий внешний каркас.
После сборки устройство продемонстрировало способность распознавать и приводить в действие четыре различных шаблона проекции, открывая свой мешок-копию в течение двух минут. Уровень отклика, показанный LAC, также доказал, что он способен к сложным реакциям и может быть изменен на настройки между «включенным» и «выключенным».
Несмотря на уровень точности, демонстрируемый LAC, соединение трёх вместе действительно вызвало некоторую «утечку тепла» между ними. Точно так же команда Рутгерса признала, что скорость, чувствительность и долговечность устройств могут быть улучшены с помощью дальнейших исследований, но сочла их более широкий подход успешным.
Хотя инженеры тестировали только монохромные красители, они не видят причин, по которым нельзя было бы добавлять другие цвета в мешочек устройства в будущем для создания новых приложений. Они предположили, что использование более ярких цветов может сделать его идеальным для печати дисплеев, в то время как оттенки на основе местности могут обеспечить солдатам маскировку от противника. Хотя подход команды Рутгерса уникален, они далеко не первые исследователи, которые напечатали на 3D-принтере мягкие роботизированные устройства на основе механизмов, встречающихся в мире природы.
Ученые из Корнельского университета также были вдохновлены головоногими моллюсками и напечатали на 3D-принтере точную копию щупальца осьминога с похожим расположением мышц. Использование эластомера в качестве основы позволило команде изготавливать объекты с большей свободой дизайна и достигать более сложных форм, чем это было возможно ранее.
Тем временем исследователи из Технологического института Джорджии основали своего робота на теплокровном млекопитающем и напечатали на 3D-принтере энергоэффективного SlothBot. Устройство в настоящее время используется над ботаническим садом Атланты, где оно наблюдает за животными, растениями и окружающей средой.
В другом месте другая команда из Корнелла черпала вдохновение из того, что находится гораздо ближе к дому, и напечатала на 3D-принтере роботизированную мышцу, которая способна «потеть». Мягкие, похожие на пальцы исполнительные механизмы устройства позволяют ему удерживать воду, которую впоследствии можно использовать для предотвращения перегрева при длительном использовании режима «потения».
Выводы исследователей подробно изложены в их статье «Мультиматериальная печать для светочувствительных искусственных хроматофоров головоногих моллюсков». Соавторами исследования являются Дэхун Хан, Юпин Ван, Чен Ян и Ховон Ли.