Искусственные мышцы: прорыв в создании гибких роботов

Разработки в области робототехники приближают момент, когда машины станут визуально практически неотличимы от биологических организмов. Ученые из Гарвардской школы инженерных и прикладных наук имени Джона А. Полсона представили новый метод 3D-печати искусственных волокон, имитирующих работу мышечной ткани. Главная особенность технологии заключается в том, что алгоритм движения заложен непосредственно в структуру материала.

Зачем роботам гибкость

Человеческий мир спроектирован с учетом анатомических особенностей биологических тел. Инструменты, одежда, инфраструктура и даже принципы социального взаимодействия рассчитаны на гибкость и адаптивность, которыми обладают живые существа. Традиционные жесткие роботы, использующие электрические двигатели и гидравлику, часто лишены естественной грации, необходимой для выполнения сложных задач в среде, созданной для людей.

В отличие от биологических мышц, которые способны как на филигранные движения, так и на приложение значительной физической силы, классические инженерные решения сталкиваются с рядом ограничений:

• Необходимость в громоздких внешних компрессорах и сложной системе управления.
• Значительный вес вспомогательного оборудования.
• Высокое энергопотребление и выделение избыточного тепла.
• Сложность производства деталей со сложной геометрией.

Технология программируемого движения

Исследователи предложили принципиально иной подход: отказ от отдельных двигателей в пользу «умных» материалов. В процессе 3D-печати специалисты комбинируют два типа мягких полимеров:

• Активный жидкокристаллический эластомер, который меняет форму под воздействием тепла.
• Пассивный эластомер, препятствующий деформации.

Вращая сопло принтера во время печати, инженеры могут задавать спиралевидную ориентацию молекул внутри волокна. При нагревании активный материал стремится сократиться, но из-за сопротивления пассивного слоя волокно начинает изгибаться, скручиваться или принимать заданную форму. Это позволяет создавать структуры, способные сжиматься, расширяться или закручиваться без использования шарниров и шестерней.

Перспективы применения

В ходе экспериментов команда создала прототипы мягких захватов, которые самостоятельно фиксируются на объектах, поднимают их и разжимаются при изменении температуры. Потенциальные сферы применения технологии включают:

• Адаптивные захватные устройства для робототехники.
• Биомедицинские приборы.
• Активные фильтрующие системы.
• Трансформируемые конструкции, меняющие форму в зависимости от внешних условий.

Несмотря на успех, технология находится на ранней стадии. На текущем этапе критическими факторами остаются скорость реакции материала на нагрев и общая энергоэффективность системы. На данный момент разработка не готова заменить мощные промышленные приводы, однако открывает новые горизонты для создания роботов нового поколения с органической пластикой движений.