Искусственные мышцы нового поколения могут менять форму и самовосстанавливаться

Фото из открытых источников

Большинство современных роботов создаются с учетом четко определенной задачи. После создания эта задача редко меняется. Роботизированная рука может захватывать, поднимать или сортировать предметы, но ее движения изначально заданы. Если задача меняется, инженерам часто приходится перепроектировать машину с нуля. Это требует времени, денег и усилий.

Новый вид искусственных мышц начинает бросать вызов этой идее. Они не ограничиваются одной функцией. Они могут менять свою форму, восстанавливаться после повреждений и даже быть повторно использованы в другом устройстве. Такая гибкость может изменить подход к проектированию и использованию роботов в повседневной жизни. Результаты исследования были опубликованы в журнале Science Advances.

В основе этой новой системы лежит так называемый диэлектрический эластомерный актуатор, или ДЭА. Это мягкие материалы, которые движутся при прохождении через них электрического тока. Они уже используются в таких устройствах, как вибромеханизмы в носимых гаджетах и мягкие роботизированные захваты, которые работают с хрупкими предметами, например, с фруктами.

Ключевое изменение заключается в добавлении в привод специального материала. При комнатной температуре он ведет себя как твердое тело, но становится похожим на жидкость при воздействии тепла или магнитных полей. Это изменение позволяет материалу перемещаться и изменять свою форму, даже когда устройство продолжает работать.

Традиционные искусственные мышцы используют фиксированные схемы расположения электродов. После нанесения этих схем их нельзя изменить. Это ограничивает возможности робота. Если ему нужно обработать новую форму или выполнить новое движение, всю систему приходится перепроектировать.

Новый привод устраняет это ограничение. Его электрод может разделяться, сливаться и перемещаться в трех измерениях. Он может менять положение даже во время работы. Это означает, что один робот может выполнять разные задачи без перестройки.

Такая гибкость важна в реальных условиях. Роботу, работающему на заводе, может потребоваться переключаться между движениями захвата, сгибания и расширения. Вместо замены деталей или механизмов он может адаптироваться на ходу. 

Повреждения — серьёзная проблема в робототехнике. Обрыв провода или сбой в электропроводке могут полностью остановить работу машины. Новая система использует другой подход. Если часть электрода повреждена, материал вблизи этого участка может стать жидким. Он восстанавливает поврежденные участки или перенаправляет поток в обход повреждения. Робот продолжает работать, а не отключается.

Эта возможность продлевает срок службы системы. Она также сокращает время простоя, что крайне важно в промышленных условиях, где задержки могут обходиться дорого.

Ещё одна важная особенность. Электродный материал не нужно выбрасывать, когда устройство отслужило свой срок. Его можно извлечь в жидком виде и использовать повторно в новой системе. Тесты показали, что даже после нескольких циклов повторного использования система сохраняла примерно 91-процентный уровень восстановления, при этом стабильно работая. Это открывает возможности для более экологичной робототехники, где детали используются повторно, а не выбрасываются.

В этой работе объединены материаловедение и машиностроение. Сам материал должен был быть стабильным, но при этом гибким. В то же время система должна была доказать свою способность двигаться, изменять форму и восстанавливаться в реальных условиях.

В результате получается единый исполнительный механизм, способный выполнять множество функций в зависимости от ситуации. Это переход от роботов, созданных для выполнения одной задачи, к машинам, которые адаптируются по мере необходимости.

«Это исследование представляет собой прорыв в преобразовании традиционно статических и пассивных электродов в „живые, программируемые элементы“ благодаря инновациям в конструкции частиц и полимеров», — сказал соавтор исследования профессор Чон Юн Сун из Сеульского национального университета. «Эта самовосстанавливающаяся и изменяющая форму технология электродов послужит ключевой основой для устойчивой мягкой робототехники следующего поколения».

Влияние может распространиться на несколько областей. Мягкие роботы смогут справляться с более сложными задачами без постоянной доработки. Устройства смогут самовосстанавливаться, работая в суровых условиях, включая среды с электрическим напряжением или физическими повреждениями.

Существует также потенциал для создания новых типов дисплеев, меняющих форму в реальном времени. Искусственные мышцы могли бы стать более реалистичными, с движениями, соответствующими сложности движений человека.

Более существенные изменения коснутся способов создания и обслуживания машин. Вместо того чтобы быть статичными и одноразовыми, они могут стать адаптивными системами, которые развиваются, восстанавливаются и продолжают работать с течением времени.