Искусственные мышцы и нервы, изготовленные из никель-титанового сплава с памятью формы, делают руки роботов такими же гибкими и подвижными, как и их аналоги у животных. Но эти искусственные конечности также меньше весят, работают не покладая рук и ими можно точно управлять. Бионические роботы-манипуляторы, которые разрабатываются исследовательской группой профессора Стефана Зелеке из Саарского университета в сотрудничестве с немецким специалистом по автоматизации Festo, потребляют очень мало электроэнергии и могут безопасно работать с людьми. В этом году исследовательская группа представит технологию на выставке Hannover Messe с 17 по 21 апреля.
Современные промышленные роботы мощные, быстрые и высокоточные, но они также тяжелые и потенциально опасны для жизни. Любой, кто работает с этими машинами, должен быть осторожен, удар манипулятором промышленного робота может иметь болезненные последствия. Если люди будут работать бок о бок и рука об руку с роботами, они буквально должны будут стать мягче. Исследовательская группа под руководством профессора Стефана Зелеке, специалиста по интеллектуальным системам материалов в Саарландском университете, разрабатывает манипулятор, который вообще не содержит каких-либо тяжелых металлических деталей.
Исследователи из Саарбрюккена черпали вдохновение в мире природы, в частности, в хоботе слона. «Хобот слона — это история эволюционного успеха, у которого были миллионы лет, чтобы приспособиться и проявить себя на практике», — объяснил Стефан Зелеке. Тонкая роботизированная рука, похожая на хобот, которую разрабатывает исследовательская группа, может раскачиваться и изгибаться во всех направлениях. В отличие от тяжелых шарнирных металлических рук, используемых в современных промышленных роботах, новая рука робота не прикреплена к громоздкому шарниру, который позволяет двигаться только в определенных направлениях. И точно так же, как хобот слона не содержит костей, хобот робота не имеет жесткого металлического каркаса. Его гибкость и маневренность обусловлены новым способом, которым его искусственные мышцы взаимодействуют друг с другом.
«Используя интеллектуальные системы материалов, мы можем создавать гибкие и мягкие роботизированные инструменты, которые намного легче и гораздо более гибкие, чем устройства, используемые сегодня. Им не нужно приводить в действие двигатели, гидравлические или пневматические системы, поэтому им нужно немного электроэнергии. Это делает нашу технологию устойчивой, экономичной и бесшумной», — сказал Штефан Зелеке. Его исследовательская группа в Саарском университете и в Центре мехатроники и технологий автоматизации в Саарбрюккене (ZeMA) разрабатывает различные типы искусственных мышц для использования в интеллектуальных роботизированных хоботах и щупальцах.
При проектировании этих систем инженеры используют «умные» полимеры и сплавы с памятью формы. В этом году на выставке Hannover Messe команда продемонстрирует новый прототип. Они будут демонстрировать возможности 30-сантиметрового хоботка, чьи «мускулы» и «нервы» сделаны из пучков никель-титановой проволоки. «Технология, которую мы разрабатываем, является масштабируемой и может использоваться в больших роботизированных манипуляторах для промышленных применений», — сказал Зелеке.
Искусственные мышцы, сделанные из никель-титановой проволоки, могут сокращаться, как мышцы живых организмов. Их можно по команде укоротить (сокращение мышц), а затем снова удлинить (расслабление мышц). Способность никель-титана вести себя таким образом обусловлена тем, что сплав обладает необычным свойством памяти формы, т. е. материал способен «запоминать» свою первоначальную форму и возвращаться к ней после деформации. Если никель-титановую проволоку нагреть, например, электрическим током, она станет короче. При отключении тока проволока остывает и возвращается к своей первоначальной длине. Причина такого поведения кроется в кристаллической структуре сплава.
«Нагрев сплава вызывает фазовые переходы в твердом состоянии», — пояснил профессор Пол Моцки, который проводит исследования вместе со Стефаном Зеелеке и является профессором в области интеллектуальных систем материалов для инновационного производства в Саарландском университете и ZeMA. В отличии, например, от жидкой воды, которая при нагревании меняет состояние и переходит в газообразное, никель-титан остается в твердом состоянии, но его кристаллическая структура претерпевает трансформацию.
Инженеры строят роботизированный хобот из большого количества искусственных мышечных нитей. Так же, как человеческая мышечная ткань состоит из пучков мышечных волокон, искусственные мышечные нити состоят из пучков сверхтонких проволок с памятью формы. Эти пучки сверхтонких проводов обеспечивают большую площадь поверхности, через которую они могут передавать тепло, что означает, что они быстрее остывают и расслабляются после сжатия. И они тоже сильные.
«Провода обладают самой высокой плотностью энергии среди всех известных приводных механизмов, и они могут создавать значительную растягивающую силу. Это позволяет нам создавать мощные приводные технологии в очень небольших помещениях, что в противном случае было бы невозможно», — пояснил профессор Моцки. Протягивая жгуты проводов через ряд круглых тонких пластиковых дисков, жгуты проводов сохраняют расстояние между дисками, создавая таким образом сегменты хоботообразной структуры. Когда они соединяют несколько таких сегментов вместе, исследователи могут построить целый хобот, причем размер дисков становится меньше по мере приближения к сужающемуся концу.
Применяя электрические токи, исследовательская группа может сгибать мышцы туловища. Укорачивание искусственных мышечных нитей на одной стороне мышечного сегмента заставляет туловище изгибаться наружу под желаемым углом в этом месте. Управляя тем, как активируются отдельные пучки проводов, можно заставить искусственные мышцы сгибаться и растягиваться, создавая плавные последовательности движений. Таким образом, без каких-либо дополнительных датчиков исследователи могут быстро и точно контролировать положение туловища и, таким образом, заставлять его выполнять практически любую последовательность движений. Дополнительные датчики не нужны, потому что искусственные мышцы сами по себе обладают сенсорными свойствами, что позволяет им также действовать как своего рода внутренняя нервная система.
«Каждое искривление проводов вызывает изменение электрического сопротивления, что позволяет нам присвоить точное значение сопротивления любой конкретной деформации провода. Используя эти значения сопротивления, мы точно знаем, как в данный момент деформируется конкретный пучок проводов, что, по сути, придает сенсорные свойства системы», — объяснил докторант Янник Герген, который разработал искусственный хобот в рамках своего докторского исследовательского проекта.
Для обучения бионического туловища инженеры используют эти значения для моделирования и программирования последовательностей движений, что само по себе включает разработку интеллектуальных алгоритмов для этой цели. Они также могут оборудовать конец дополнительными функциями, такими как захватный инструмент или система камер. Он также может быть оснащен шлангом, который позволяет точно дозировать или откачивать жидкости.
