Наближається момент, коли ви зможете пройти повз робота і навіть не здогадатися, що це машина. Протягом багатьох років ми наділили роботів скелетами, розумом, органами чуття і навіть нервовою системою. М’язи виявилися особливо складними для відтворення.
Вчені з Гарвардської школи інженерних та прикладних наук імені Джона А. Полсона розробили метод 3D-друку штучних м’язоподібних ниток, рух яких фактично закладений безпосередньо в матеріалі.
Їхнє дослідження, здається, є найближчим до людських м’язів серед усіх існуючих систем робототехнічних м’язів. Справа в тому, що природний світ вимагає гнучкості. Все, від дерев до восьминогів, згинається і скручується. Ми також створили людський світ, що потребує такої ж адаптивності. Інфраструктура, одяг, інструменти і навіть соціальна взаємодія — все це було розроблено з урахуванням механіки м’яких біологічних тіл.
Чому це важко та важливо
Окрім гнучкості, взаємодія з навколишнім світом є однією з причин, чому інженери-робототехніки продовжують прагнути зробити машини більш схожими на людей, оснащуючи їх системами зору (очима), мікрофонами (вухами), динаміками (ротом), датчиками дотику та багатьма іншими системами.
Ці системи стали надзвичайно функціональними та ефективними. Проте відтворення м’язів виявилося складним завданням. Для людей м’язи — це просто ще один елемент, який ми не помічаємо. Ви думаєте про те, щоб поворухнути рукою, і раптом вона піднімається, ніби за помахом чарівної палички. Це надзвичайно складна біологічна система приводу.
“Ті самі м’язи, що можуть обережно вести пензель по полотну, можуть також вибивати двері, кидати сокири, виконувати балетні па або ловити скляний посуд, що падає, перш ніж він вдариться об підлогу. Такий рівень контролю вражає з інженерної точки зору”, — зазначають дослідники.
Традиційні роботи вже демонструють вражаючу рухливість, використовуючи електродвигуни, гідравліку та пневматичні системи. Однак ці механізми зазвичай жорсткі, механічно складні та не надто елегантні. Справді плавний, органічний рух залишається значно складнішим для відтворення.
Насправді вчені вже створювали м’які робототехнічні м’язи раніше. Пневматичні штучні м’язи, наприклад, використовують стиснене повітря для забезпечення плавного біологічного руху. Інші системи використовують термочутливі метали, електрично чутливі полімери, магнітні матеріали або тросові системи сухожиль, натхненні людським тілом. Багато з них є надзвичайно ефективними.
У чому суть технології
Ці системи зазвичай потребують громіздких зовнішніх компресорів, трубопроводів або важких систем підтримки. Інші вимагають надзвичайно високої напруги, виділяють надмірне тепло, рухаються повільно або їх важко виготовити у складних формах. У багатьох випадках сам “м’яз” є лише частиною набагато більшої механічної системи.
СпецпроєктиМінітрактори 4х4 – чому формула повного приводу така ефективна?Останній шанс доєднатися до конкурсу авторських статей від Proove: вигравайте крутий електросамокат та інші призи
Вчені знайшли більш елегантний підхід. Замість того, щоб створювати роботів з окремими двигунами та рухомими механізмами, команда розробила метод 3D-друку штучних, схожих на м’язи, ниток, чий рух фактично закладений безпосередньо в матеріалі.
“Наша система поєднує два типи м’яких матеріалів: “активний” рідкокристалічний еластомер, який змінює форму при нагріванні, і пасивний еластомер, який чинить опір деформації. Друкуючи обидва матеріали пліч-о-пліч через сопло, що обертається, ми можемо точно контролювати, як різні частини нитки поводитимуться згодом”, — йдеться у дослідженні.
Активний матеріал стискається вздовж пріоритетного молекулярного напрямку при нагріванні. Оскільки пасивний матеріал чинить опір цьому стисненню, ця невідповідність змушує нитку згинатися, скручуватися, витися або згортатися в спіраль. Обертання сопла під час друку додає ще один рівень контролю, записуючи спіральні візерунки молекулярного вирівнювання безпосередньо в структуру.
Одинарну нитку можна запрограмувати на випрямлення, закручування по спіралі, затягування, скорочення або розширення залежно від розташування її внутрішніх матеріалів — без шестерень, жорстких з’єднань або механічних систем післяскладального етапу.
“Наша команда продемонструвала це, надрукувавши м’які решітки та хвилеподібні нитки, які кардинально по-різному деформуються під дією тепла. Деякі структури розширювалися при нагріванні, тоді як інші скорочувалися. В одній демонстрації плоскі решітки перетворювалися на куполоподібні форми. В іншій ми створили м’які захвати, здатні опускатися на об’єкти, стискатися навколо них, піднімати їх і згодом відпускати”, — кажуть дослідники.
Вони додають, що ця технологія з часом може дозволити створити адаптивні м’які роботизовані захвати, активні фільтри, біомедичні пристрої, термочутливі структури та роботизовані системи, що змінюють форму. Оскільки цей підхід сумісний із 3D-друком, він також відкриває можливості для високоналаштовуваних архітектур, які важко реалізувати за допомогою традиційних актуаторів.
Проте все ще існують серйозні обмеження. Наразі система покладається на тепло для активації, що означає, що час відгуку та енергоефективність залишаються складними завданнями. Структури також все ще є експериментальними і далеко не готові замінити традиційні робототехнічні приводи у високонавантажених сферах застосування.
Їстівна електроніка? Чому б ні: вчені навчили 3D-принтер друкувати мікрохвилями на кістках та листі рослин
Джерело: New Atlas
Вражає, як технології 3D-друку наближають роботів до живих істот. Реалістичні м’язи відкривають нові можливості для м’якої робототехніки і змінюють наше уявлення про взаємодію з машинами.
Дякую за ваш коментар! Справді, 3D-друковані м’язи роблять роботи більш адаптивними та природними, що значно розширює їх застосування у різних сферах. Це справжній прорив у розвитку м’якої робототехніки.