Ingenjörer på Caltech och ETH Zürich har utvecklat robotar som kan självframdriva utan att använda några motorer, servon, eller strömförsörjning. Istället, dessa förstklassiga anordningar paddlar genom vatten när materialet de är konstruerade av deformeras med temperaturförändringar.

Verket suddar ut gränsen mellan material och robotar. I de självgående enheterna, själva materialet gör att maskinen fungerar. "Våra exempel visar att vi kan använda strukturerade material som deformeras som svar på miljösignaler, att styra och driva fram robotar, säger Daraio, professor i maskinteknik och tillämpad fysik vid Caltechs avdelning för teknik och tillämpad vetenskap, och motsvarande författare till ett papper som avslöjar robotarna som visas i Proceedings of the National Academy of Sciences den 15 maj.

Det nya framdrivningssystemet bygger på remsor av en flexibel polymer som böjs när det är kallt och sträcker ut när det är varmt. Polymeren är placerad för att aktivera en omkopplare inuti robotens kropp, som i sin tur är fäst vid en paddel som ror den framåt som en roddbåt.

Omkopplaren är gjord av ett bistabilt element, vilket är en komponent som kan vara stabil i två distinkta geometrier. I detta fall, den är byggd av remsor av ett elastiskt material som, när den trycks på av polymeren, snäpper från en position till en annan.

När den kalla roboten placeras i varmt vatten, polymeren sträcker ut sig, aktiverar omkopplaren, och det resulterande plötsliga frigörandet av energi paddlar roboten framåt. Polymerremsorna kan också "justeras" för att ge specifika svar vid olika tidpunkter:det vill säga, en tjockare remsa tar längre tid att värmas upp, sträcka ut, och i slutändan aktivera sin paddel än en tunnare remsa. Denna inställning gör att teamet kan designa robotar som kan svänga och röra sig i olika hastigheter.

Forskningen bygger på tidigare arbeten av Daraio och Dennis Kochmann, professor i flyg och rymd vid Caltech. De använde kedjor av bistabila element för att överföra signaler och bygga datorliknande logiska grindar.

I den senaste versionen av designen, Daraios team och samarbetspartners kunde länka ihop polymerelementen och omkopplarna på ett sådant sätt att en fyrpaddlad robot kunde driva sig själv framåt, släpp av en liten nyttolast (i det här fallet, en token med en Caltech-sigill utsmyckad), och sedan paddla bakåt.

"Kombinera enkla rörelser tillsammans, vi kunde bädda in programmering i materialet för att utföra en sekvens av komplexa beteenden, " säger Caltech postdoktor Osama R. Bilal, medförsta författare till PNAS-tidningen. I framtiden, fler funktioner och ansvarsområden kan läggas till, till exempel att använda polymerer som svarar på andra miljösignaler, som pH eller salthalt. Framtida versioner av robotarna kan innehålla kemikaliespill eller, i mindre skala, leverera droger, säger forskarna.

För närvarande, när de bistabila elementen knäpper och frigör sin energi, de måste återställas manuellt för att fungera igen. Nästa, teamet planerar att utforska sätt att omforma de bistabila elementen så att de återställs själv när vattentemperaturen ändras igen – vilket gör dem potentiellt kapabla att simma på obestämd tid, så länge vattentemperaturen fortsätter att fluktuera.

PNAS-tidningen har titeln "Utnyttja bistabilitet för riktad framdrivning av mjuka, obundna robotar."