Вы когда‑нибудь задумывались, что общего между нефтеперерабатыющей промышленностью и мягкой игрушкой, которая сама ползёт по столу? Ответ может вас удивить. Это сера — вязкая жёлтая субстанция, которую ежегодно выбрасывают на свалки в объёме примерно 85 миллионов тонн по всему миру. Бóльшая часть этой массы лежит на земле годами, медленно отравляя почву и грунтовые воды. Группа корейских учёных нашла способ превратить эти горы промышленного мусора в машины будущего.
Речь идёт не об обычных роботах с металлическими сочленениями и сервоприводами. Речь о мягкой робототехнике — устройствах из гибких, податливых материалов, которые могут изгибаться, сжиматься и менять форму. Специалисты Корейского института химических технологий (KRICT) вместе с коллегами из университетов Ханьян и Седжон разработали технологию 4D-печати — процесса, в котором напечатанный объект продолжает меняться уже после того, как покинул принтер. В качестве сырья они используют переработанную серу. Об этом открытии, опубликованном в журнале Advanced Materials, рассказал руководитель группы доктор Донг-Гюн Ким: «Наше исследование представляет собой первый пример превращения промышленных серных отходов в передовые робототехнические материалы. Ожидается, что интеллектуальные материалы, способные к автономному перемещению и переработке, станут ключевыми факторами развития будущей мягкой робототехники и технологий автоматизации».
Что такое 4D-печать и чем она отличается от 3D
Чтобы понять суть изобретения, представьте стандартный 3D-принтер. Он создает статичный объект, который после печати остаётся неизменным. Ваза остаётся вазой, фигурка — фигуркой. 4D-печать добавляет в уравнение время. Изделие выходит из принтера в одной форме, а затем под воздействием внешнего фактора — тепла, света или магнитного поля — трансформируется в другую. Это похоже на самораскладывающуюся мебель: вы достаёте плоскую деталь из коробки, а через минуту она превращается в стул.
Ученые из KRICT добились этого благодаря новому классу полимеров, так называемым поли(фениленполисульфидным) сетям. У этих материалов есть свойство памяти формы. Каждый вариант полимера «помнит» свою исходную конфигурацию и возвращается к ней при нагреве до определённой температуры. Корейские инженеры скомбинировали три типа полимера с разными температурами перехода — примерно 14 °C, 32 °C и 52 °C. В результате при плавном нагреве разные части одной и той же конструкции активируются последовательно, как будто внутри заложена программа. Никаких моторов, батарей или проводов.
Сера: от ненужного отхода к ценному ресурсу
Почему учёные обратили внимание именно на серу? Во‑первых, её очень много. По данным Геологической службы США, в 2024 году мировое производство серы достигло около 85 миллионов тонн. Бóльшая часть этого объёма образуется как побочный продукт при очистке нефти и газа. Во‑вторых, сера обладает уникальными химическими свойствами. В отличие от обычных пластиков с жёстко закреплённой молекулярной структурой, серосодержащие полимеры имеют связи, которые могут разрываться и восстанавливаться. При нагреве материал становится жидким и легко проходит через сопло принтера. При охлаждении он застывает в заданной форме. А когда нужно переработать изделие, его снова нагревают.
Однако перед ними возникла проблема. Традиционные серные пластики имели слишком плотную сшитую структуру, которая делала их непригодными для 3D-печати. Корейские химики решили эту задачу, создав слабосшитую полимерную сеть. Она сохраняет все полезные свойства серы, но при этом легко выдавливается и формирует сложные трёхмерные конструкции. Получился материал, который может быть и жидким, и твёрдым, и снова жидким — идеальный кандидат для замкнутого цикла производства.
Роботы без двигателей: как это работает
Результат этой технологии — мягкие роботы, которые двигаются без традиционных механических частей. Для этого в полимерную основу добавили 20% магнитных частиц. Получился композит, который реагирует на внешнее магнитное поле. Размер таких устройств — менее половины дюйма, примерно сантиметр, но они способны на удивительные вещи.
Тонкие нитевидные роботы могут плавать, используя три разных стиля движения. Они способны огибать препятствия и перемещаться по сложной траектории. Всё управление осуществляется магнитом, который движется снаружи. Никаких кабелей, никаких источников питания на борту. Ученые также продемонстрировали сложные манипуляторы, которые могут сжиматься и разжиматься, и самооткрывающиеся капсулы. Управление может быть и оптическим. Ближний инфракрасный лазер нагревает только выбранный участок конструкции, заставляя его двигаться, в то время как остальные части остаются неподвижными. Световой луч действует как дистанционный выключатель — точный, бесконтактный и быстрый.
Кстати, о сборке. Обычно для соединения напечатанных деталей нужен клей или механические крепления. Здесь всё иначе. Инфракрасный лазер длительностью всего восемь секунд запускает химическую реакцию: серные связи в материале временно разрываются и тут же восстанавливаются. Это химическая сварка, которая сплавляет компоненты в единое целое без посторонних веществ. Для демонстрации новой технологии команда собрала из отдельных печатных блоков миниатюрную копию храма Саграда Фамилия и модель стадиона с раздвижной крышей. В этих сооружениях каждый блок способен менять форму по команде. Получается своего рода конструктор, где детали сами «прирастают» друг к другу.
Замкнутый цикл: переработка без потери качества
Одна из главных проблем современного производства — отходы, которые невозможно вернуть в оборот. С этой серной технологией ситуация кардинально иная. Когда напечатанное устройство отрабатывает свой срок, его можно разобрать, перемолоть в порошок и снова загрузить в принтер. Материал переплавляется и используется повторно без потери свойств и объёма. Никакого мусора, никаких свалок. Полная переработка, замкнутый цикл. По сути, это ресурсоциркулирующая производственная система, где отходы одного цикла становятся сырьём для следующего.
Почему мягкая робототехника — это большое будущее
Вы можете спросить: зачем вообще нужны роботы из мягких материалов? Ответ — в их уникальных возможностях. В отличие от жёстких металлических машин, мягкие роботы могут проникать в узкие пространства, обхватывать хрупкие предметы и безопасно взаимодействовать с людьми. Представьте медицинский инструмент, который доставляет лекарство прямо к опухоли, изгибаясь по извилистым сосудам. Или захват (манипулятор) для хрупких деталей на производстве, который не оставляет царапин. Или исследовательский зонд, который пробирается сквозь завалы после землетрясения.
Однако до сих пор мягкая робототехника упиралась в материалы. Им не хватало сочетания прочности, отзывчивости и, что особенно важно, экологичности. Корейская разработка решает все три задачи одновременно. Используется дешёвое сырьё, которое иначе пошло бы в отходы. Создаются роботы, реагирующие на несколько типов внешних воздействий без встроенных источников энергии. И полностью замыкается цикл производства, исключая образование новых отходов.
Что дальше
Технология пока находится на ранней стадии. Но вектор уже задан. Доктор Донг-Гюн Ким и его коллеги продемонстрировали не просто лабораторный курьёз, а работающую модель будущего производства. Представьте фабрику, где отходы одного процесса становятся сырьём для другого, где машины рождаются из того, что раньше считалось мусором, и где по окончании срока службы они возвращаются в исходное состояние для нового рождения.
Возможно, через несколько лет мягкие роботы на основе переработанной серы станут обычной частью нашей жизни. Они будут работать в больницах, на заводах и, кто знает, возможно, даже в вашем доме. И каждый раз, когда вы увидите такой механизм, вспоминайте: его «скелет» когда‑то был нефтяным отходом. А его «мускулы» приводятся в движение не электричеством, а умной химией и продуманной физикой.
Технология 4D-печати на переработанных материалах — это не просто очередной шаг вперёд. Это смена парадигмы. От линейной экономики «взял — сделал — выбросил» мы переходим к циклической, где отходы превращаются в машины, а машины — снова в отходы, готовые к возрождению. И этот цикл уже работает.
Уважаемые читатели, если для вас данная статья была полезной, пожалуйста поставьте лайк, это поможет начинающему автору и каналу в продвижении.