Природа є джерелом натхнення для багатьох технологій. Роботи, що імітують кігті тарганів і мікроскопічні вії ящірок, можуть лазити по стінах будівель. Давайте заглянемо у світ біоміметичних роботів!
В епізоді популярного шоу «Надзвичайні підробітки» актор влаштовується на неповний робочий день мити вікна на висотному будинку. Страх висоти та тривога за безпеку актора помітні на його обличчі, коли він намагається вимити вікна з безпеки гондоли, і це змушує глядачів нервувати. Хіба не було б чудово, якби робот міг взяти на себе таке складне завдання, де одна помилка може призвести до серйозної аварії?
Коли ви думаєте про робота, який миє вікна хмарочоса за людину, легко уявити робота у формі людини, який тримає інструмент для чищення та старанно протирає вікна. Однак консенсус полягає в тому, що робот із модулем прибирання, встановленим на тілі, який може підніматися та спускатися по стінах будівель, був би ефективнішим, ніж робот у формі людини. Щоб реалізувати здатність підніматися та спускатися по стінах будівель, роботів, які імітують основні структури, принципи та механізми тварин і рослин, називають біоміметичними роботами.
Одним із таких роботів, який досяг чудових результатів у лазінні вгору та вниз по стінах будівель, є Spinybot. Spinybot використовує принцип того, як таргани лазять і спускаються по стінах. Таргани використовують ніжні волоски на лапах як гачки, щоб підніматися та спускатися по стінах. Стінки складаються з невеликих горбистих вигинів на поверхні, і ці вигини можуть торкатися волосків тарганів з багатьох боків. Якщо одне з цих волосків торкається вигину в напрямку, який підтримує вагу плотви, воно має невелику силу, яка підтримує вагу плотви. Хоча сила однієї волосини невелика, комбінована сила кількох волосків може створити достатню силу, щоб витримати вагу плотви. Ноги Spinybot також мають невеликі, але численні кігті, які використовують той самий принцип, щоб підтримувати вагу робота, коли він піднімається та спускається по стінах. Однак цей метод ґрунтується на ймовірності контакту кігтів зі стіною, що робить неможливим прикріплення до гладких стін, як скло.
Одним із роботів, який подолав це обмеження, є Stickybot, який створено за структурою підошви лапки гекона. Гекони можуть ходити по стелях і стінах без використання клею, а секрет криється в мільйонах мікроскопічних волосків на підошвах ніг. Вам може бути цікаво, як щось із такою кількістю крихітних волосків на ніжках може прилипати до стін, але сила Ван-дер-Ваальса робить це можливим.
Сили Ван-дер-Ваальса — це невеликі електричні сили, які діють між молекулами та спричинені миттєвим відхиленням електронів усередині неполярної молекули. Коли всередині неполярної молекули відбувається миттєве відхилення електронів, сторона, де електрони орієнтовані, має (-) полюс, а сторона, де електрони відносно вільні, має (+) полюс. Молекула, яка відчуває це зміщення електронів, також впливатиме на своїх сусідів. (-) полюс штовхає електрони всередині сусідньої молекули на протилежний бік, роблячи бік, де електрони покинули, (+) полюсом, а протилежний бік, де електрони відносно скупчені, — (-) полюсом. Потім цей (-) полюс впливає на сусідні молекули, і ланцюгова реакція викликає миттєву поляризацію всіх молекул. Ця миттєва поляризація створює електростатичне притягання між молекулами, яке називається силою Ван-дер-Ваальса. Сила Ван-дер-Ваальса, створювана однією вією, дуже мала, але коли мільйони мікроскопічних війок злипаються разом, сили достатньо, щоб витримати вагу ящірки. Якби те саме явище, що відбувається в підошвах ніг гекона, відбулося на долоні людини, сила була б незначною, оскільки людська долоня могла б витримати вагу близько 40 кілограмів. Stickybot також використовує уретанові подушечки з мікроскопічною волосяною структурою, щоб прикріпити робота до стін за допомогою сил Ван-дер-Ваальса. Оскільки він використовує електричні сили, а не фізичний контакт, він може рухатися по гладких стінах, як скло.
Крім ван-дер-ваальсових сил, вії гекона мають ще одну особливість: вони спрямовані. Ці вії мають властивість набирати високу адгезію при нанесенні в одному напрямку, але легко відпадають при нанесенні в протилежному напрямку. Мікроскопічні волоски Stickybot також спрямовані, що означає, що вони мають велику силу зчеплення вниз, де діє вага робота, але не потрібно багато зусиль, щоб відірвати їх у протилежному напрямку.
І Spinybot, який використовує характеристики тарганів, і Stickybot, який використовує характеристики геконів, є хорошими прикладами біоміметичних роботів, які можуть лазити по стінах будівель, але обидва методи все ще займають багато часу. Щоб вирішити цю проблему, дослідники досліджують різні підходи до розробки швидших і ефективніших технік лазіння по стінах.
На Землі є мільйони видів тварин і рослин, і всі вони мають власні способи пристосуватися до навколишнього середовища та вижити. Наприклад, можна покращити поверхню робота, імітуючи структуру луски риби, яка добре плаває під водою, або розробити новий тип системи кріплення, посилаючись на структуру рук і ніг мавпи, яка лазить по деревах. Такі дослідження дозволять біоміметичним роботам мати більш різноманітні та інноваційні можливості. Можливо, існують ще не вивчені тварини та рослини, які мають рішення для швидкого лазіння по стінах будівель. Чим різноманітніша флора і фауна, тим більше можливостей для біоміметичних роботів. З подальшими дослідженнями та технологічним прогресом світ біоміметичних роботів стане лише дивовижнішим.
