Zmieniamy kształty materiałów. Nowy odcinek podcastu „Trzy kwadranse z badawczą”

Natura to świetne źródło pomysłów dla nauki i techniki. To właśnie zaobserwowane tam zjawiska zainspirowały naukowców z Politechniki Warszawskiej do pracy nad kompozytem, który świetnie sprawdzi się w robotyce miękkiej. O szczegółach rozwiązania opowiada dr inż. Piotr Bartkowski z Wydziału Samochodów i Maszyn Roboczych.

„Trzy kwadranse z badawczą” to cykl rozmów, w którym naukowcy z Politechniki Warszawskiej opowiadają o swoich projektach realizowanych w ramach programu „Inicjatywa Doskonałości – Uczelnia Badawcza”.

Zapraszamy do słuchania odcinka z dr. inż. Piotrem Bartkowskim. Podcast jest dostępny na Spotify, Anchor i YouTubie.

Droga do chwytaka

Zespół z PW postanowił połączyć w swoim projekcie dwie sprzeczne właściwości – elastyczność i sztywność.

– W naturze jest bardzo dużo organizmów, które potrafią zmienić swoją sztywność – zaznacza dr Bartkowski. – Bazując na tym, spróbowaliśmy zaproponować taki kompozyt, który byłby elastyczny, ale też w momencie, kiedy jest to potrzebne, byłby w stanie się usztywnić – tak, że byłby zdolny do przenoszenia zewnętrznych obciążeń.

Takie właściwości są bardzo pożądane w robotyce miękkiej, która w ostatnim czasie dynamicznie się rozwija. To część branży wykorzystująca elastyczne materiały, a przez to pozwalająca tworzyć narzędzia i elementy zmieniające swój kształt i dostosowujące się do otoczenia. Dobrym przykładem robotyki miękkiej mogą być różnego rodzaju chwytaki.

Zespół dr. Bartkowskiego inspirował się naturą, ale skorzystał też z doświadczeń swoich kolegów, którzy kilka lat temu próbowali już stworzyć strukturę łączącą elastyczność i zdolność do przenoszenia obciążeń. Okazało się jednak, że zastąpienie klasycznych zwoi (np. miedzianych) ciekłym metalem, silikon i zewnętrzne pole magnetyczne to za mało, żeby powstał materiał podatny na deformację, a przy tym wytrzymały.

– Naszym pomysłem było, żeby wzbogacić ten kompozyt o efekt, który jest zwany granular jamming, po polsku możemy to przetłumaczyć na solidyfikację granulatu pod wpływem podciśnienia – wyjaśnia dr Bartkowski. – Możemy to porównać do paczki kawy. Jeżeli kupimy taką właśnie paczkę, ona jest bardzo sztywna, ponieważ w środku jest próżnia. Jeżeli tę paczkę otworzymy, to ten materiał robi się sypki, elastyczny.

Opisany tak obrazowo mechanizm naukowcy z PW postanowili wykorzystać. Do aktywatora z ciekłego metalu dołączyli rdzeń granulowany, mający bardzo ważną zaletę.

– W momencie deformacji praktycznie nie wpływał na sztywność elementu, natomiast po zdeformowaniu mogliśmy ten kształt zamrozić – opowiada dr Bartkowski. – Ta struktura umożliwiała przenoszenie zewnętrznych obciążeń.

Z kawy i galu

Jak wygląda kompozyt, nad którym pracują naukowcy z PW?

– Mamy zewnętrzne układki silikonowe, w których wydrążone są bardzo małe kanaliki, które napełniamy ciekłym metalem – wyjaśnia dr Bartkowski. – Pośrodku, pomiędzy dwiema cewkami, mamy rdzeń granulowany.

Do tworzenia tego rdzenia nasi specjaliści testowali różne materiały. A okazało się, że najlepsze rozwiązanie jest bardzo blisko.

– Przy tej skali próbek, jakie mamy, najlepiej nam się sprawdza zmielona kawa – zdradza dr Bartkowski. – Powód jest pragmatyczny – z takiej kawy możemy łatwo uzyskać drobne ziarna.

Do projektu potrzeba też metalu. Zespół wybrał czysty gal, który ma temperaturę topnienia bliską pokojowej, bo to ok. 29 stopni. Stosując gal z dodatkami, możną ją jeszcze obniżyć, nawet o połowę.

Badacze mają już określony kierunek, w jakim chcą rozwijać swój pomysł.

– [To] stworzenie struktury, która składałaby się z bardzo wielu obwodów elektrycznych – takich cewek z galu – tak, żebyśmy mogli uzyskiwać zróżnicowane, morfowalne kształty – opowiada dr Bartkowski (…) – Naszą ideą w tym rozwiązaniu jest to, żeby kształt zaprogramować prądem.

To, przynajmniej na razie, badania podstawowe. Naukowcy szukają możliwych aplikacji swojego pomysłu, ale chcą przede wszystkim uzyskać jak najlepsze efekty. Zakładają, że potrzeba na to do dwóch lat. Pierwsze wyniki są obiecujące. Co ważne, zostały już bardzo dobrze odebrane przez środowisko zajmujące się robotyką miękką.

Projekt „E-morph: elektrycznie sterowany kompozyt umożliwiający zmianę kształtu” jest finansowany w ramach realizowanego na Politechnice Warszawskiej programu „Inicjatywa Doskonałości – Uczelnia Badawcza”. Pomysł otrzymał wsparcie w konkursie Technologie-Materiałowe-2: Start.