Китайские инженеры разработали частично мягкого подводного робота, который может работать при высоком давлении, в том числе в Марианской впадине. Он двигается благодаря плавникам с искусственными мышцами, а его электроника не разрушается под давлением благодаря тому, что инженеры разделили платы с электронными компонентами на отдельные части, которые меньше подвержены влиянию больших нагрузок, чем одна большая плата. Статья опубликована в Nature.
Глубоководные аппараты оснащают прочными корпусами, способными выдержать огромное давление воды — с самой глубокой точке Марианской впадины оно на три порядка больше, чем атмосферное. При этом на глубинах в несколько километров обитают мягкие организмы, выживающие без подобных корпусов. К примеру, на глубине в восемь километров ученые встречали рыб из семейства липаровых. Одна из особенностей этих рыб, по-видимому позволяющая им погружаться на такую глубину, заключается в строении скелета: он не до конца окостеневший и частично состоит из хрящевой ткани, а череп имеет несплошное строение и частично открыт.
Инженеры под руководством Тефэна Ли (Tiefeng Li) из Чжэцзянского университета решили использовать принцип строения этих рыб для создания мягкого робота, способного работать на предельных глубинах вплоть до дна Марианской впадины. У робота мягкий полимерный корпус с двумя боковыми плавниками и хвостом. Вся электроника изолирована от воды и располагается внутри полимера: микроконтроллер, аккумулятор и повышающий преобразователь напряжения. За движение робота отвечают два актуатора. Актуатор состоит из плоского электрода из углеродной смазки и двух предварительно растянутых диэлектрических актуаторов. При подаче напряжения возникает электрическое поле, которое заставляет диэлектрические слои деформироваться, растягиваясь. Актуаторы в роботе закреплены так, что при растяжении и сжатии они заставляют плавники двигаться вверх и вниз соответственно.
Сравнение строения робота и рыбы-прототипа из семейства липаровых
Guorui Li et al. / Nature, 2021
Для защиты от огромного давления авторы решили децентрализовать электронику: разделили одну большую плату на платы меньшего размера и отдельные компоненты. Они провели анализ методом конечных элементов и сравнили напряжения, возникающие в плате и компонентах при воздействии внешнего давления величиной 110 мегапаскалей при двух конфигурациях электроники. Анализ показал, что давление вызывает большие сдвиговые напряжения в местах, в которых компоненты соприкасаются с платой. При одинаковом давлении в 110 мегапаскалей на стыках компонентов единой платы среднее напряжение доходит до 60 мегапаскалей, а на разделенной на несколько фрагментов — только до 10 мегапаскалей.
Симуляция возникновения напряжений в плате под действием внешнего давления
Guorui Li et al. / Nature, 2021
Авторы протестировали робота в трех условиях. В озере на глубине от 8 до 70 метров:
В Южно-Китайском море на глубине 3224 метра:
И на дне Марианского желоба на глубине 10900 метров. В этом случае инженеры не отпускали робота. Кроме того видно, что его актуаторы работали с меньшей амплитудой движения. Тем не менее даже на такой глубине робот сохранил работоспособность:
В этом роботе, как и в почти всех мягких роботах, все равно используются жесткие компоненты. Но в последние годы инженеры активно работают над созданием полностью мягких роботов.
