В Штутгартском университете разработали биомиметический микрорулонный привод, способный перемещать объекты в 30 раз тяжелее собственного веса

Репортаж от Wedoany，Команда доктора Заклины Бургхард из Института материаловедения Штутгартского университета (Institute for Materials Science at the University of Stuttgart) разработала технологическую платформу, позволяющую за считанные секунды превращать сверхтонкие функциональные плёнки в программируемые трёхмерные керамические микрорулоны, которые служат компактными приводными элементами для будущих микророботов и мягких роботов. Эта работа стала результатом многолетних исследований Бургхард в области биомиметических керамических материалов.

Микророботы, отличающиеся чрезвычайно малыми размерами, обладают потенциалом применения в медицине и промышленности; мягкие роботы, в свою очередь, полагаются на гибкие, адаптируемые материалы для повышения адаптивности и безопасности. Как и в макророботах, в этих двух типах систем приводы должны управлять движением или захватом, однако общие размеры микросистем значительно меньше, а мягкие роботы должны обладать способностью к упругой деформации, что предъявляет совершенно новые требования к компонентам, которые часто можно реализовать только с помощью новых материалов.

Исследовательская группа, вдохновившись скручиванием и разворачиванием хоботка бабочки, создала сверхтонкие плёнки из пентаоксида ванадия, содержащие магнитные наночастицы оксида железа. При изготовлении исследователи аккуратно отделяли сверхтонкую керамическую плёнку от подложки лезвием; лезвие непрерывно изгибало отделяемую плёнку, заставляя её за несколько секунд сворачиваться в плотно скрученный микрорулон. При поднесении магнита к микрорулону он быстро разворачивался; после удаления магнитного поля — сворачивался вновь.

В отличие от традиционной керамики, эти сверхтонкие плёнки обладают гибкостью. Их уникальное механическое поведение обусловлено биомиметической иерархической нано- и микроструктурой, которая обеспечивает упругую деформацию, сохраняя при этом структурную целостность керамического материала. Ширина изготовленных микрорулонов составляла всего несколько микрометров, диаметр в свёрнутом состоянии — лишь несколько сотен микрометров, а в развёрнутом виде длина достигала 25 миллиметров. В ходе экспериментов микрорулоны сохраняли работоспособность после 5000 циклов и могли перемещать объекты, более чем в 30 раз превышающие их собственную массу.

Бургхард отмечает, что микрорулоны также можно выстраивать в программируемые массивы, позволяя нескольким приводам работать одновременно и выполнять скоординированные задачи, такие как подъём, транспортировка или манипулирование мелкими объектами. Пентаоксид ванадия был выбран в качестве модельного материала, поскольку он на протяжении многих лет является основным объектом исследований Бургхард и послужил основой для технологической платформы.

Бургхард подчёркивает, что привод — это лишь начало; настоящая инновация заключается в самой платформе сворачивания, которая может быть перенесена на множество различных органических и неорганических плёночных материалов и потенциально применима в будущих электронных компонентах, датчиках, накопителях энергии и других многофункциональных микросистемах.

Эта работа началась в рамках проекта, финансируемого Немецким научно-исследовательским обществом (DFG) под руководством Бургхард. Первые экспериментальные исследования, заложившие основу для текущей работы, были проведены в рамках магистерской диссертации Семи Ким, завершённой в 2023 году. Исследование проводилось на кафедре биомиметических материалов Института материаловедения, где природа служит источником вдохновения, сочетающимся с современным материаловедением и интегрирующим физику, химию, вычислительное моделирование и принципы биомиметического дизайна материалов для разработки функциональных материалов следующего поколения и программируемых микросистем.