Ученые разработали мягкую, сверхмощную роботизированную линзу, способную автоматически фокусироваться, используя в качестве источника энергии только свет. Это открытие прокладывает путь к созданию автономных мягких роботов, не нуждающихся во внешнем питании или электронике. Линза обладает достаточной чувствительностью для различения микроскопических деталей, таких как волоски на лапке муравья или доли пыльцевого зерна.
Автором исследования, результаты которого были опубликованы 22 октября в журнале Science Robotics, является Кори Чжэн, докторант в области биомедицинской инженерии из Технологического института Джорджии (Georgia Tech). Работа велась под руководством его научного руководителя, биомедицинского инженера Шу Цзя.
Основой устройства служит термочувствительный гидрогель — полимерный каркас, способный удерживать и высвобождать воду. При нагревании гидрогель отдает воду и сжимается, а при охлаждении — впитывает ее и расширяется, переходя между более жидким и твердым состояниями.
В структуру гидрогеля внедрены крошечные частицы оксида графена. Благодаря своему темному цвету они эффективно поглощают свет во всем видимом спектре, преобразуя его энергию в тепло. Именно это свойство является ключевым для запуска всего механизма.
Конструктивно роботизированный глаз представляет собой линзу из силиконового полимера, окруженную кольцом из реагирующего гидрогеля. Вся система закреплена в более крупной раме, а ее механическая конфигурация напоминает строение человеческого глаза.
Процесс фокусировки происходит следующим образом: свет, по интенсивности сравнимый с солнечным, попадает на частицы оксида графена. Они поглощают свет и нагреваются, передавая тепло окружающему гидрогелю. Нагретый гидрогель сжимается, натягивая и растягивая силиконовую линзу, что заставляет ее сфокусироваться.
Как только источник света убирается, гидрогель остывает, впитывает воду и возвращается к своему первоначальному объему. Натяжение на линзу ослабевает, и она расфокусируется. Этот цикл полностью автономен и не требует никаких внешних команд или источников питания.
В ходе испытаний линза была установлена вместо стандартного стеклянного объектива в световой микроскоп. С ее помощью удалось успешно визуализировать и различить зазор шириной 4 микрометра между когтями клеща, нити грибка толщиной 5 микрометров и щетину высотой 9 микрометров на лапке муравья.
Это изобретение решает фундаментальную проблему для области мягкой робототехники. В отличие от традиционных роботов, использующих жесткие датчики с электропитанием, новая технология предлагает систему зрения для «мягких, эластичных» роботов, которые могут функционировать без электричества, например, в носимых технологиях или при работе на пересеченной местности.
Следующим шагом исследователей является интеграция линзы в микрофлюидную систему клапанов, изготовленных из того же реагирующего гидрогеля. Конечная цель — создание интеллектуальной, полностью автономной камеры, в которой свет, используемый для получения изображения, одновременно питает и управляет логикой и действиями всей системы.
В будущем адаптивность линзы может позволить ей «видеть» за пределами человеческих возможностей. Технологию можно адаптировать для имитации уникальных глаз животных, например, вертикального зрачка кошки для обнаружения замаскированных объектов или W-образной сетчатки каракатицы для восприятия цветов, недоступных человеку.
Изображение носит иллюстративный характер
Автором исследования, результаты которого были опубликованы 22 октября в журнале Science Robotics, является Кори Чжэн, докторант в области биомедицинской инженерии из Технологического института Джорджии (Georgia Tech). Работа велась под руководством его научного руководителя, биомедицинского инженера Шу Цзя.
Основой устройства служит термочувствительный гидрогель — полимерный каркас, способный удерживать и высвобождать воду. При нагревании гидрогель отдает воду и сжимается, а при охлаждении — впитывает ее и расширяется, переходя между более жидким и твердым состояниями.
В структуру гидрогеля внедрены крошечные частицы оксида графена. Благодаря своему темному цвету они эффективно поглощают свет во всем видимом спектре, преобразуя его энергию в тепло. Именно это свойство является ключевым для запуска всего механизма.
Конструктивно роботизированный глаз представляет собой линзу из силиконового полимера, окруженную кольцом из реагирующего гидрогеля. Вся система закреплена в более крупной раме, а ее механическая конфигурация напоминает строение человеческого глаза.
Процесс фокусировки происходит следующим образом: свет, по интенсивности сравнимый с солнечным, попадает на частицы оксида графена. Они поглощают свет и нагреваются, передавая тепло окружающему гидрогелю. Нагретый гидрогель сжимается, натягивая и растягивая силиконовую линзу, что заставляет ее сфокусироваться.
Как только источник света убирается, гидрогель остывает, впитывает воду и возвращается к своему первоначальному объему. Натяжение на линзу ослабевает, и она расфокусируется. Этот цикл полностью автономен и не требует никаких внешних команд или источников питания.
В ходе испытаний линза была установлена вместо стандартного стеклянного объектива в световой микроскоп. С ее помощью удалось успешно визуализировать и различить зазор шириной 4 микрометра между когтями клеща, нити грибка толщиной 5 микрометров и щетину высотой 9 микрометров на лапке муравья.
Это изобретение решает фундаментальную проблему для области мягкой робототехники. В отличие от традиционных роботов, использующих жесткие датчики с электропитанием, новая технология предлагает систему зрения для «мягких, эластичных» роботов, которые могут функционировать без электричества, например, в носимых технологиях или при работе на пересеченной местности.
Следующим шагом исследователей является интеграция линзы в микрофлюидную систему клапанов, изготовленных из того же реагирующего гидрогеля. Конечная цель — создание интеллектуальной, полностью автономной камеры, в которой свет, используемый для получения изображения, одновременно питает и управляет логикой и действиями всей системы.
В будущем адаптивность линзы может позволить ей «видеть» за пределами человеческих возможностей. Технологию можно адаптировать для имитации уникальных глаз животных, например, вертикального зрачка кошки для обнаружения замаскированных объектов или W-образной сетчатки каракатицы для восприятия цветов, недоступных человеку.
