Недавние достижения в области мягкой робототехники открыли возможности для создания «умных» волокон и текстиля, обладающих различными механическими, терапевтическими и прочими свойствами. Эти ткани, запрограммированные на расширение или сжатие под действием тепловых, электрических, жидкостных или других раздражителей, могут выполнять движение, производить деформацию или применять силу.
Инженеры из Университета Нового Южного Уэльса (UNSW) в Сиднее (Австралия) разработали новый класс умного текстиля, который может «трансформироваться» в трехмерные структуры. Несмотря на недавние достижения в разработке активного текстиля, он либо имел слишком большое время отклика из-за необходимости нагрева и охлаждения, либо волокна трудно было вязать, плести или ткать (это особенно касается волокон, работающих на жидкости).
Чтобы преодолеть эти недостатки, команда UNSW продемонстрировала доказательство концепции миниатюрных, быстро реагирующих искусственных мышц, состоящих из длинных силиконовых трубок, заполненных жидкостью, которыми можно манипулировать с помощью гидравлического давления. Силиконовая трубка окружена внешней спиралью, выступающей в роли ограничительного слоя, препятствующего ее расширению. Из-за ограничения внешнего слоя возможно только осевое удлинение, что дает мышце возможность расширяться при повышенном гидравлическом давлении или сокращаться при снижении давления. Используя этот механизм, можно запрограммировать широкий диапазон движений, изменяя гидравлическое давление.
«Уникальная особенность наших мягких мышц по сравнению с другими заключается в том, что мы можем регулировать генерируемую ими силу, изменяя коэффициент растяжения внутренней силиконовой трубки во время их изготовления, что обеспечивает высокую гибкость для использования в конкретных приложениях», — говорит Тхань Нхо До старший преподаватель Высшей школы биомедицинской инженерии Университета Нового Южного Уэльса, руководивший исследованием.
Исследователи использовали простой и недорогой метод изготовления, при котором длинная тонкая силиконовая трубка вставляется непосредственно в полую микроспираль для создания искусственных мышц диаметром от нескольких сотен микрометров до нескольких миллиметров. С помощью этого метода можно массово производить мягкие искусственные мышцы любого масштаба и размера — диаметр может быть до 0,5 миллиметра, а длина — не менее 5 метров.
Нитяная структура мышц позволяет хранить их в катушках и нарезать на нужную длину. Команда использовала два метода для создания умных волокон из искусственных мышц. Один из них использовал их в качестве активной пряжи для плетения или вязания активных тканей с использованием традиционных технологий производства текстиля. Другой заключался в интеграции их в обычные ткани.
Сочетание гидравлического давления, быстрого отклика, легкого веса, небольшого размера и высокой гибкости делает умный текстиль UNSW универсальным и программируемым. Расширение и сокращение их активных тканей сходно с тем, как функционируют мышечные волокна человека.
Эта универсальность открывает потенциальные возможности применения волокон в мягкой робототехнике, включая меняющие форму структуры, биомимицирующих мягких роботов, роботов для передвижения и умную одежду. Существуют возможности для использования в качестве медицинских/терапевтических носимых устройств, в качестве вспомогательных устройств для тех, кто нуждается в помощи при передвижении, и в качестве мягких роботов для спасения людей, оказавшихся в замкнутом пространстве.
Исследовательская группа продолжает работать над улучшениями. «В настоящее время мы достигли внешнего диаметра 0,5 мм, что, по нашему мнению, все еще велико по сравнению с человеческими мышечными волокнами», — говорит До. «Одна из главных проблем нашей технологии заключается в том, как уменьшить размер мышцы, скажем, до 0,1 мм в диаметре и менее».
Еще одна проблема связана с гидравлическим источником энергии, который требует электрических проводов для подключения и приведения в действие мышц. «Наша команда работает над интеграцией нового мягкого, миниатюрного насоса и модулей беспроводной связи, которые позволят сделать устройство компактнее».
Аналитическое моделирование изгибающих приводов — еще одна область улучшений. Исследователи говорят, что необходимы сопутствующие исследования, чтобы продемонстрировать возможность использования умного текстиля машинного производства и моющегося умного текстиля в индустрии умной одежды, а также дальнейшие исследования по включению функциональных компонентов в умный текстиль для обеспечения дополнительных преимуществ.