Новая искусственная рука меняет свойства по необходимости

Эта удивительная разработка может выдерживать нагрузки, в 1000 раз превышающие ее собственный вес, оставаясь при этом мягкой, как кожа, и прочной, как сталь.

Ученые постоянно стремятся расширить горизонты робототехники. В последние годы особый интерес вызывает мягкая робототехника, вдохновленная биологией и нацеленная на создание гибких роботов, способных имитировать адаптивность живых организмов. Такая гибкость снижает риск повреждений, особенно на пересечённой местности, а также открывает новые горизонты в биомедицине.

Сложности робототехники

Однако, несмотря на многообещающие перспективы, мягкая робототехника сталкивается с рядом трудностей, особенно в выборе материалов. Традиционно используемый силикон имеет механические ограничения, включая низкую несущую способность. Чтобы преодолеть эти препятствия, исследователи ищут новые пути. Например, они используют пневматические системы для регулировки жесткости по мере необходимости. Однако такие решения часто имеют ограниченный диапазон жесткости, что снижает их способность адаптироваться к различным ситуациям.

В недавнем исследовании, опубликованном в журнале Nature, ученые из Ульсанского национального университета науки и технологии в Южной Корее разработали новый гибкий магнитный материал для создания роботизированной руки. Эта технология обеспечивает невероятно широкий диапазон жесткости и высокую несущую способность.

Суперпрочность можно регулировать

Роботизированная рука состоит из двух основных компонентов: полимера с эффектом памяти формы и магнитных частиц. Эта система способна изменять свою жесткость более чем в 2700 раз, переходя из мягкого состояния в жесткое. Модуль Юнга может варьироваться от 110 килопаскалей до 297 мегапаскалей в зависимости от температуры окружающей среды.

a) Схематическая иллюстрация, изображающая концепцию монофазной составной мышцы и ее многофункциональность. b) (i) Химический состав композита; (ii) SEM-изображение, показывающее микроструктуру композита; (iii) ПЭМ-изображения микрочастиц NdFeB с низким и (iv) высоким разрешением. c) (i) Рабочий механизм поли (SMA-co-EGDMA) и (ii–v) изображения, полученные с помощью WAXS-анализа композитов в различных условиях (кристаллизованных, аморфных, аморфных и растянутых, а также кристаллизованных и растянутых). d) Модули упругости и коэффициент жесткости композитов при 25 °C и 70 °C в зависимости от количества магнитных частиц. e) Плотность энергии (u) и энергоэффективность (η) композита во время циклов нагрузки и разгрузки при различных деформациях (100–500%). f) Сравнение характеристик предлагаемой магнитной композитной мышцы с предыдущими искусственными мышцами. Штрихи на каждом графике обозначают стандартное отклонение, n = 5 независимых образцов.

www.nature.com

Эта уникальная комбинация материалов и свойств позволяет роботизированной руке выполнять различные сложные задачи с высокой точностью и адаптируемостью. В мягком состоянии рука может обхватывать и удерживать хрупкие или мягкие объекты, подобно тому, как это делает человеческая рука. Когда же требуется высокая жесткость, полимер с памятью формы активируется, и система переходит в твердое состояние, что позволяет руке выполнять задачи, требующие значительной силы или выдерживания больших нагрузок.

Как управлять движениями искусственной руки

Роботу можно задать программу для манипулирования предметами, а его движения будут контролироваться внешним магнитным полем, что делает магнитные частицы особенно полезными. Композитный материал обладает высоким соотношением полезной нагрузки и веса. При растяжении он может выдерживать нагрузку, в 1000 раз превышающую его собственный вес, а при сжатии это соотношение возрастает до 3690. Система также позволяет выполнять различные управляемые движения: растяжение, сжатие, сгибание и скручивание. Она может удлиняться до 800% от своей первоначальной длины.

Тепловая модуляция

Под воздействием тепла робот размягчается, деформируясь в зависимости от потребностей: растяжение, сжатие или скручивание. Его действия точно контролируются магнитным полем. Чтобы зафиксировать деформированное положение, достаточно охладить систему до комнатной температуры. Возврат к исходному состоянию также достигается путем нагрева без магнитного поля, и материал возвращается в «запертое» состояние благодаря свойствам памяти формы.

a) Схематическое изображение, демонстрирующее рабочий механизм роботизированной руки, изготовленной из монофазного композита. b) (i) Замедленные фотографии, демонстрирующие способность роботизированной руки захватывать предметы с помощью фототермического и магнитного поля; (ii) замедленные фотографии, демонстрирующие захват и освобождение предметов с помощью роботизированной руки; (iii) замедленные фотографии, демонстрирующие грузоподъёмность и фиксацию формы роботизированной руки. c) Фотографии, демонстрирующие (i) роботизированную руку в жёстком состоянии, выдерживающую значительный вес в 1 кг и сохраняющую горизонтальное фиксированное положение без затрат энергии, что соответствует удельной грузоподъёмности, превышающей 100, и (ii) роботизированную руку в деформируемом состоянии, выдерживающую вес в 1 кг при растяжении вниз примерно на 350% без каких-либо повреждений. d) Фотографии, демонстрирующие роботизированную руку, удерживающую груз весом 200 г в вертикальном положении и в неподвижном состоянии (i) без удлинения и (ii) с удлинением на 135%.

www.nature.com

Перспективы применения искусственной руки

Эта технология открывает широкие возможности для применения в различных сферах. В медицинской отрасли такие роботы могут использоваться для проведения малоинвазивных операций, где требуется точное воздействие на определённые участки ткани. Благодаря способности к быстрому изменению формы, робот может обойти сложные анатомические структуры, минимизируя риски повреждения. После завершения процедуры робот возвращается в своё первоначальное состояние, что упрощает его извлечение из организма.

Кроме того, данная разработка имеет перспективы в области спасательных операций и работы в экстремальных условиях. Роботы, способные изменять форму в зависимости от необходимости, могут проникать в труднодоступные зоны, например, под завалы после землетрясения, не нанося дополнительных повреждений. Это делает их незаменимыми ассистентами в ситуациях, где человеческая жизнь подвергается наибольшей опасности. Более того, такие роботы могут использоваться для мониторинга окружающей среды, следя за изменениями состояния почвы, воды или атмосферных показателей.

«Атлас», человекоподобный робот от Boston Dynamics, продолжает удивлять своими возможностями. Этот уникальный робот уже давно завоевал славу благодаря своей невероятной ловкости, а теперь он становится все более автономным. В материале 56orb мы подробно расскажем об эволюции «Атласа».

Робот «Атлас» от Boston Dynamics становится все более автономным