Роботизированную «руку» для хирургии сделали из графена и жидких кристаллов

Исследователи из Эйндховена разработали мягкую роботизированную «руку» из жидких кристаллов и графена, которая может быть использована для будущих хирургических роботов.


В больницах мягкие роботы могут использоваться для автоматизации в хирургии. Но прежде чем это произойдёт, исследователям необходимо выяснить, как ими филигранно управлять. Кроме того, многие современные мягкие роботы содержат металлы, что ограничивает их использование во влажных средах, в том числе при взаимодействии с человеческим телом.

Цель специальной мягкой робототехники — создавать устройства из жидкостей или гелей, которые могут сгибаться в определённых ситуациях, но в нужные моменты действовать уже как будто сделанные из жёстких материалов.

Лаура Ван Хазендонк и её коллеги из Технического университета Эйндховена, Нидерданды, создали мягкий роботизированный захват из графена и жидких кристаллов, то есть оба материала были органическими. Напомним, что графен — это сверхпрочный однослойный углерод, который к тому же прозрачен и является эффективным проводником электричества и тепла.

Жидкий кристалл ведёт себя то как жидкость, то как твёрдое вещество в зависимости от состояния. В определённых ситуациях молекулы в такой жидкости могут выстраиваться в твёрдую структуру, объяснила Ван Хазендонк. Способность жидкокристаллических материалов действовать подобным образом идеальна, когда дело доходит до создания мягких роботов, подчеркнула исследовательница.

Выбрав материалы, учёные приступили к разработке и изготовлению привода, который приводил бы в движение роботизированную систему. Обычно приводы реагируют или перемещаются при подаче электричества, воздуха или жидкости. Но в конкретном научном проекте Ван Хазендонк с коллегами для управления приводами задействовали так называемые жидкокристаллические сетки (LCN).

Так исследователи разработали захватное устройство, управляемое с помощью приводов на основе LCN. В качестве образца получилась «рука» с четырьмя управляемыми «пальцами». Подвижные детали изменяют форму под воздействием тепла на нагревательные элементы из графена, которые представляют собой дорожки в «пальцах» роботизированного захвата.



Когда электроток проходит через графеновые дорожки, они нагреваются, а затем тепло от дорожек изменяет молекулярную структуру жидкокристаллических пальцев. Всё это и приводит к сгибанию, объяснила Ван Хазендонк. После отключения электрического тока нагрев пропадает, и захват возвращается в исходное состояние.

Одна из основных проблем для исследователей была связана с графеновыми нагревательными элементами, отметил Хайнер Фридрих, доцент кафедры химической инженерии и химии. Учёным нужно было убедиться, что те нагреются до нужной температуры для сгибания слоя жидких кристаллов. Изначально графеновые элементы не достигали нужной температуры при безопасном напряжении электротока, а при повышении вольтажа сжигали устройство.

Исследователи в конце концов наладили привод, который успешно функционирует при напряжении менее 15 вольт. Что касается производительности, то захваты способны поднимать предметы массой от 70 до 100 миллиграммов. Может показаться, что это немного, но в хирургии используются соответственно лёгковесные инструменты, имплантаты или биологические ткани.

Для уже созданного захвата несущий нагрузку слой получили заливкой материала в форму. А графен наносили путём печати. Теперь же коллеги намерены «изваять» робота полностью с помощью принтера. Но для этого им понадобится новый способ 3D-печати жидкокристаллического слоя.