Юрий Евдокимов
Скорость передвижения роботов по вертикальным стенкам – до 25 см/с, грязные и запыленные поверхности ему не помеха.
Фото blog.wired.com
Зрелище насколько очевидное, настолько же и поразительное: юркие машинки, похожие на детские игрушечные танки, абсолютно свободно и весьма шустро передвигаются по вертикальным стенам. Причем материал стены не имеет никакого значения – дерево, стекло, бетон, кирпичная кладка┘ Эти нехитрые с виду механизмы, так называемые электроадгезионные роботы созданы американскими учеными из исследовательской лаборатории SRI International Lab. Доклад и демонстрация их работы были представлены участникам Международной конференции по робототехнике и автоматике, проходившей в городе Пасадена, США.
Секрет этих роботизированных «скалолазов» прост и основан на использовании так называемых адгезионных явлений (адгезия – склеивание, прилипание). Точнее, на одной из разновидностей таких явлений – электроадгезии. Источник электропитания, батарейка, помещен в тело робота и выполняет несколько функций. Прижимает устройство к стене, создавая противоположные заряды на стене и на корпусе робота (разноименные заряды, как известно, притягиваются) и обеспечивает работу моторчика – движителя. Робот (а их уже имеется достаточно много модификаций) ползет по стене, а затраты энергии при этом – микроватты! Впечатляет! Ведь скорость его передвижения – до 25 см/с, грязные и запыленные поверхности ему не помеха, стоимость его невелика.
Удивительно просто, а вот поди ж ты догадайся. В интернете можно найти уже и схемы электроадгезионных управляемых роботов и посмотреть фильм об их движении по вертикальным стенам и дверям из самых различных материалов.
Но, возможно, еще большее удивление вызывает то, что принцип передвижения, «приклеивания», к вертикальным поверхностям заимствован исследователями у живой природы, которая давно и активно использует адгезию в созданных ею существах. Ученые все чаще стали обращать внимание на «достижения» природы в тех или иных областях и, подражая ей, копировать ее секреты. Вновь возрос интерес к таким наукам, как бионика, биомиметика, к биотехнологиям. Участились «кражи» секретов у природы и в такой области науки, как исследование адгезионных явлений. Результаты порой бывают просто поразительные.
Издавна известно, что пчела переносит пыльцу растений на большие расстояния за счет прилипания ее к брюшку, лапкам, голове. Причина этого – в электризации волосков на теле пчелы и пыльцы растений, то есть в проявлении кулоновских сил притяжения. На этом эффекте сконструировано немало всевозможных электростатических крепежных механизмов, прижимов, захватов, роботов и тому подобных устройств.
Сам эффект сцепления различных тел при воздействии на систему внешнего электростатического поля (ВЭП) и получил название эффекта электроадгезии. А соединения, образующиеся при воздействии ВЭП на систему из двух твердых тел, называют электроадгезионными (ЭАС). При этом не требуется наличия клеевых прослоек, приложения высоких давлений и температур, вакуума, что оказалось крайне удобным для отраслей микроэлектроники, к примеру. Таким методом удалось соединять полупроводниковые пластины с металлами и диэлектриками, фольги металлов со стеклами различных марок и т.п.
Первые электроадгезионные соединения были получены практически одновременно в СССР и США более 40 лет назад (по установившейся терминологии, в США за методом закрепилось название анодной сварки). Такие соединения подразделяются на обратимые (сцепление исчезает после снятия внешнего электростатического поля), полуобратимые (сцепление сохраняется в течение некоторого времени после снятия ВЭП – иногда от нескольких минут до нескольких дней), и необратимые, сохраняющиеся десятилетиями после прекращения действия ВЭП. Причем прочность сцепления (адгезионная прочность) в последнем случае достигает 10–17 МПа. Это очень приличная величина – 100–170 атмосфер! Именно необратимые соединения оказались наиболее востребованы в электронной промышленности.
Достижения в области создания электроадгезионных соединений по своей значимости стали сравнивать в последнее время с прогрессом в электронике после открытия транзисторов в 40-е годы прошлого века. ЭАС используются ныне при изготовлении самих транзисторов, светодиодов, элементов солнечных батарей, получении вакуумплотных соединений, лазерных гироскопов, в конструкциях адаптированных (самоприспосабливающихся) структур, в том числе при производстве зеркал для космических и астрономических исследований. (Подробности изложены, например, в коллективной монографии автора совместно с В.Н.Кестельманом (США) и Е.М.Кондратьевым: «Электроадгезионные соединения. Теория и практика», М., 2004.)
Однако до самого последнего времени все ЭАС были, так сказать, «статичными». Помогли ящерицы гекконы, способные передвигаться по гладким вертикальным стенам и даже потолку (см. «НГ-наука» от 12.03.08). Причина их сцепления с гладкими поверхностями – наличие сотен тысяч и даже миллионов волоконец-щетинок на лапках. Эти щетинки контактируют с поверхностью стекла, слюды на очень малых, молекулярных расстояниях. Это приводит к проявлению сил Ван-дер-Ваальса и прочному сцеплению геккона с указанными поверхностями (подложками). Не исключено и действие чисто электростатических сил. Ведь отрыв лапки происходит за счет изменения геометрии «пучка щетинок», когда сухая (бесклеевая) адгезия преодолевается на отслаивание, а не на отрыв, для чего требуется гораздо большее усилие.
Оказалось, что похожий механизм сцепления с поверхностями характерен для пауков и мух. Поэтому многие исследователи пытались повторить природу – создать всевозможные робототехнические устройства, передвигающиеся по стенам и потолку, копируя механизм передвижения гекконов, пауков и мух.
К чести американцев из SRI International Lab, надо заметить, что они не стали слепо копировать гекконов (самолеты ведь не с машущим крылом построены, как у птиц), а «уворовали» секреты у природных мастерских с умом, учтя эффекты электроадгезии и сухой адгезии. Созданные на этом принципе устройства, с чего мы и начали свой рассказ, запросто могут передвигаться, и очень быстро, даже по вертикальным стенам.
Сразу же нашлись и заказчики на подобную технику, и дополнительные деньги на исследования. Для строительной индустрии, например, понадобились роботы – мойщики окон. Что уж говорить про военных и космическое ведомство, про министерства по чрезвычайным ситуациям и безопасности┘ В общем, сфера применения вертикально ползающих механизмов практически безгранична.
