Зазвичай гідрогелі розтягуються тільки в одному напрямку і не повертаються в початковий стан. Команда китайських хіміків створила поліелектролітний гідрогель, який може збільшуватися в розмірі в 15 разів порівняно з початковою довжиною, а потім повертатися до своєї первісної форми. Вчені вважають, що їхню розробку можна буде використовувати для виготовлення м’яких роботизованих захоплень і штучних сухожиль.
Інженери поки не винайшли достатньо ефективних м’яких маніпуляторів для роботів, що серйозно гальмує використання таких систем у реальній економіці.
Збирати ягоди і фрукти, електронні вироби та виконувати безліч інших завдань жорсткими маніпуляторами не можна. А всі відомі на сьогодні системи з м’яких пластиків порівняно швидко пошкоджуються через зміну механічних навантажень. І навіть якщо такий пластик не деформується, додаткові навантаження розтягують його так, що він стає більш непридатним для своєї ролі. На цьому тлі матеріал, що дає змогу “рукам” машин працювати в нових сферах, мав би дуже широке практичне застосування.
Гідрогелі – матеріали, що являють собою зшиті ланцюжки полімерів, з’єднаних молекулами води. Як правило, гідрогелі дуже м’які, еластичні та деформовані. Однак, коли їх сильно розтягують, вони часто не повертаються до своєї початкової форми. Це створює певні проблеми в їхньому використанні, в тій самій робототехніці або медицині, де потрібен ефект “розтягнення – стиснення”.
Команда китайських хіміків під керівництвом Лілі Чен (Lili Chen) з Університету Цінхуа розробила новий вид гідрогелю, який надзвичайно еластичний, але водночас може зберігати свою первісну форму. Результати роботи опубліковані в журналі Science.
Вчені поліпшили стандартну структуру гідрогелю, вставивши в нього те, що вони назвали ланцюжками “перлового намиста”, які складаються зі згорнутих полімерних кульок, з’єднаних атомами вуглецю. Ці кульки можуть “розмотуватися” при циклічних механічних навантаженнях і “змотуватися”, коли навантаження слабшає. Така структура дає змогу гідрогелям розтягуватися в усіх напрямках і відновлюватися після механічних пошкоджень.
Під час експериментів Чен та її колеги виявили, що 30-сантиметровий шар їхнього гідрогелю може розтягуватися майже до п’яти метрів і за кілька секунд повертатися до початкової форми. Диск із гідрогелю завширшки два сантиметри може збільшуватися в об’ємі в 100 разів.
Дослідники створили зі свого матеріалу м’які роботизовані захвати для дбайливого поводження з крихкими предметами, зокрема з ягодами і фруктами. В одному з дослідів такі роботи змогли зібрати полуницю і виявилися надзвичайно стійкими до пошкоджень: вони продовжили працювати навіть після того, як людина ставала на них або протикала голкою.
Автори статті зазначили, що їхній гідрогель ідеально підходить для використання в якості багатофункціональних пневматичних захоплень, він одночасно забезпечує велику дальність захоплення та самовідновлюється. Крім того, розробку можна буде застосовувати і в медицині – для створення штучних сухожиль.
Робота китайських хіміків – прорив у галузі високоефективних полімерних матеріалів, вона викличе значний інтерес до використання наделастичних гідрогелів у м’якій робототехніці.