На протяжении миллиардов лет природа была главным инженером в мире. Естественная эволюция создала впечатляющих, порой невероятных существ. Возьмем, к примеру, водомера.

Эта группа насекомых обладает способностью ходить по поверхности воды, используя поверхностное натяжение и длинные, гидрофобные ноги. На протяжении десятилетий робототехники пытались подражать этой впечатляющей способности. Создание машин, способных передвигаться по поверхности воды, имеет огромные перспективы для всего, от мониторинга окружающей среды до поисково-спасательных операций.

Проблема, конечно, в том, что нечто подобное чрезвычайно сложно построить. Элементы, которые делают существо хорошим для ходьбы по воде (легкие, мягкие и гибкие), являются кошмаром для создания в мире робототехники. Теперь команда инженеров из Университета Вирджинии нашла творческий способ обойти эту проблему. Они разработали новый процесс, в рамках которого роботы изготавливаются, моделируются и оживают прямо на поверхности самой воды.

Линия сборки жидких жидкостей

Исследователи разработали два прототипа, которые могут перемещаться по поверхности жидкости. И то, и другое вдохновлено природой.

Первый, называемый HydroFlexor, гребет по поверхности, используя движения, похожие на плавники. Второй, названный HydroBuckler, «идет» вперед с изгибающимся движением, которое имитирует насекомых, ходящих по воде.

Ключевым нововведением, которое сделало это возможным, является разработанная командой технология под названием HydroSpread. Технология HydroSpread позволяет создавать пленки со сверхнизкой шероховатостью поверхности и исключительной однородностью. Это намного точнее, чем то, что можно достичь с помощью обычных методов, таких как нанесение покрытий или струйная печать. Таким образом, решается первая серьезная проблема производства мягких устройств — как создать идеальную пленку, не требующую повреждений.

Но в процессе создается только чистый лист материала, а не робот. И здесь на помощь приходит второе новшество: лазерная гравировка, также выполняемая непосредственно на поверхности жидкости.

Использование мощного лазера для вырезания замысловатых узоров на тонкой полимерной пленке — сложное дело. Интенсивное, локализованное тепло от лазера может легко распространяться, плавя и деформируя материал вокруг разреза. Особенно это актуально на твердой подложке, которая плохо рассеивает тепло. В результате часто получается беспорядок, с шероховатыми краями и низким уровнем детализации.

Таким образом, чтобы решить эту проблему, роботы изготавливаются непосредственно на воде. Вода под пленкой действует как идеальный массивный поглотитель тепла. Когда лазер делает резку, вода мгновенно отводит лишнее тепло, сохраняя тепловые эффекты в высокой степени локализованными в области гравировки. В результате получается чистый и точный срез, не искажающий исходную форму.

Воплощение роботов в жизнь

Два робота двигаются по-разному.

HydroFlexor разработан для имитации гребли или взмахов пловца. Исследователи выгравировали двухслойную пленку в форме с центральным телом и двумя плавниками, похожими на крылья. При нагревании термическое несоответствие приводит к тому, что ребра не только изгибаются вниз, но и скручиваются. Это сложное изгибающее и скручивающее движение толкает воду, создавая движущую силу. Когда тепло снято, плавник остывает, восстанавливает свою форму и готов к следующему удару. Это ритмичное машущее движение, которое перемещает устройство по поверхности воды.

Между тем, HydroBuckler был непосредственно вдохновлен водным страйдером. Эта конструкция отличается центральным корпусом, окруженным множеством тонких конструкций, похожих на ноги. Геометрия этих ножек специально спроектирована так, что при нагревании они не гнутся — они прогибаются. Потеря устойчивости – это внезапный изгиб тонкой конструкции при сжатии. Таким образом, такое быстрое изменение формы создает движение, похожее на ходьбу, толкая устройство вперед. Как и в случае с HydroFlexor, ноги восстанавливают свою первоначальную форму после охлаждения, подготавливая почву для следующего «шага».

Движение HydroBuckler так же управляемо. Симметричная конструкция с ножками одинаковой длины ходит прямо. Но, сделав ноги с одной стороны длиннее, чем с другой, команда смогла вызвать поворотное движение, что позволило им управлять роботом с удивительной точностью.

Метод с потенциалом

Эти роботы впечатляют, но, пожалуй, самым важным новшеством является метод изготовления. Это представляет собой фундаментальный сдвиг в том, как мы можем производить мягкие, гибкие устройства, и его можно масштабировать, ускоряя разработку функциональных программных устройств для множества приложений.

Представьте себе целую флотилию крошечных, недорогих HydroBuckler, катающихся на конькахпересекать озеро, их датчики постоянно отслеживают воду на наличие загрязняющих веществ, или изображать гидрофлексоры, перемещающиеся по поверхности затопленной территории в зоне бедствия в поисках выживших. Помимо применения на воде, эта технология предоставляет масштабируемую платформу для создания мягкой электроники нового поколения и датчиков, похожих на кожу, без риска повреждения при передаче.

Ссылка на журнал: Цзыю Чен и др., Обработка мягких тонких пленок на поверхности жидкости для бесшовного создания устройств, пригодных для перемещения по жидкости, Научные достижения (2025). DOI: 10.1126/sciadv.ady9840.