Учёные из Эстонии и Италии создали робота-бабочку, способного формировать новые датчики прямо внутри собственного корпуса. Вместо установки готовых электронных компонентов исследователи использовали искусственную систему кровообращения и химическую реакцию, которую запускает ультрафиолетовый свет.
Разработка специалистов Тартуского университета и Итальянского технологического института показывает, как роботы смогут менять собственное оборудование уже после изготовления. В лабораторном эксперименте пластиковая бабочка приобрела способность чувствовать ультрафиолет, которой первоначально не обладала. Новый датчик позволил устройству реагировать на освещение движением крыльев и световыми сигналами. Результаты опубликованы в журнале Advanced Science.
За основу инженеры взяли строение настоящих ночных бабочек, в частности ленточницы голубой Catocala fraxini. В крыльях насекомых проходят тонкие каналы, по которым движется гемолимфа, аналог крови у беспозвоночных. Исследователи воспроизвели похожую систему в прозрачном пластиковом корпусе, изготовленном методом 3D-печати. Внутри разместили сеть каналов, соединённых с небольшим насосом.
Для работы всей системы потребовалось около 3 мл специальной жидкости, которую разработчики называют искусственной гемолимфой. Смесь содержала пиррол, вещество для запуска реакции под действием света и добавку на основе целлюлозы. Насос распределял состав по каналам внутри крыльев, откуда компоненты проникали в окружающий пластик примерно на 10 микрометров. Такая конструкция позволяла создавать чувствительные участки без установки отдельных датчиков на поверхность.
Когда исследователи направляли ультрафиолет на выбранную область корпуса, пиррол превращался в полипиррол, полимер, способный проводить электрический ток. Для запуска реакции хватало примерно 60 секунд облучения. Прозрачный пластик в обработанном месте темнел, а внутри появлялся материал с новыми электрическими свойствами. С помощью специальных трафаретов инженеры формировали рисунок будущего датчика с точностью до 0,3 мм.
Полученный участок реагировал на повторное ультрафиолетовое облучение временным снижением электрического сопротивления. Встроенный микроконтроллер регистрировал изменение и подавал команду исполнительному механизму. Крылья начинали двигаться благодаря проволоке из сплава с памятью формы, которая меняет положение при нагреве. В другом режиме система включала светодиод. До формирования полимерного датчика слабое ультрафиолетовое излучение подобной реакции не вызывало.
Неожиданную особенность обнаружили при повторных испытаниях. Чувствительность полимерного участка постепенно увеличивалась после новых воздействий ультрафиолета. Исследователи связали изменение с продолжающейся химической реакцией, поскольку часть исходного вещества оставалась внутри пластика. Получается своеобразная материальная память, при которой предыдущие воздействия меняют характеристики датчика. При этом созданные сенсоры сохраняли работоспособность даже после более чем четырёх месяцев хранения.
Главное отличие разработки от обычных реконфигурируемых роботов заключается в способе изменения аппаратной части. Существующие системы могут переключать датчики, менять форму корпуса или использовать дополнительные модули. Здесь функциональный материал возникает непосредственно внутри конструкции в результате химической реакции. Причём расположение нового чувствительного участка определяется местом воздействия света, а не только первоначальной схемой устройства.
Впрочем, до самостоятельного выращивания органов чувств ещё далеко. В эксперименте инженеры заранее выбирали химический состав, устанавливали электрические контакты и с помощью трафарета определяли область будущего датчика. Реакция формирования полимера необратима, а продемонстрированная технология пока поддерживает только один заранее предусмотренный способ создания чувствительного элемента. Робот также не умеет самостоятельно выбирать, какой новый датчик ему требуется.
Отдельное ограничение связано с точностью измерений. Электрическое сопротивление изготовленных образцов заметно различалось, а характеристики продолжали меняться при использовании. Для обычного измерительного прибора подобная нестабильность стала бы серьёзным недостатком. Авторы исследования предлагают рассматривать изменчивость материала как потенциально полезное свойство для роботов, которым предстоит приспосабливаться к непредсказуемой среде.
Сама роботизированная бабочка представляет собой демонстрационный стенд, а не автономный летательный аппарат. Крылья способны двигаться, но полноценный полёт исследователи не демонстрировали. Дальнейшая работа потребует других химических составов, обратимых реакций и механизмов, позволяющих управляющей системе самостоятельно определять необходимость новых компонентов.
В перспективе искусственная система кровообращения могла бы доставлять вещества для формирования не только световых датчиков, но и других функциональных материалов. Разработчики рассматривают полипиррол как основу для различных применений, включая защитные покрытия, электромагнитное экранирование и взаимодействие электроники с биологическими тканями. Однако подобные возможности пока остаются направлениями будущих исследований, а не продемонстрированными функциями робота. Главный результат эксперимента заключается в том, что аппаратную часть машины удалось изменить химическим способом без замены готовых деталей.
