В Японии год назад инженеры разработали функциональную имитацию человеческих мышц: это достижение может иметь большое значение для создания более эффективных роботов и протезов
Имитация мышц была создана командой исследователей из Университета Токио. Они использовали полимерные материалы, которые могут сокращаться и растягиваться, как мышцы. Эти материалы были соединены с искусственными сухожилиями и костями, чтобы создать полноценную имитацию мышцы.
Одним из главных преимуществ этой имитации мышц является её способность к быстрому и точному движению. Это может быть особенно полезно для создания роботов, которые должны быстро реагировать на изменяющиеся условия.
Недавние достижения в области искусственных мышц (AM от artificial muscle) с переменной жесткостью в значительной степени способствовали широкому развитию бионической и мягкой робототехники. Сочетание переменной жесткости и гибкости позволяет таким роботам адаптироваться к сложным и меняющимся условиям и выполнять куда больше задач, чем роботы с полностью жестким или мягким телом. Очевидным примером преимуществ настраиваемой жесткости является захват предметов. Имея возможность в реальном времени регулировать жесткость захвата, робот может повысить надежность удержания предмета без его повреждения.
По типу энергообеспечения мягких роботов с переменной жесткостью можно разделить на три группы:
- Пневматические конструкции с переменной жесткостью имеют превосходную регулировку жесткости и высокую скорость срабатывания (менее 1 секунды), но требуют громоздкого источника воздуха и ряда пневматических схем;
- Конструкции с термодинамической переменной жесткостью обычно используют сплавы с памятью формы или сплавы с низкой температурой плавления. Они достигают переменной жесткости в основном за счет фазового перехода материалов и эффективны для приложений, жесткость которых может быть изменена за счет изменения температуры или рабочей среды. Минус таких систем — низкая скорость отклика (более 1 секунды);
- Самая молодая группа — это конструкции с электрической переменной жесткостью. Роботы, использующие эти конструкции, имеют чрезвычайно высокую скорость отклика (менее 100 мс) и могут напрямую управляться электричеством. В дополнение к изменению жесткости работа конструкции также зависит от восприятия, которое дает им обратную связь о движении и силе, что улучшает их способность адаптироваться к окружающей среде.
Как отмечают ученые, в последние годы появление искусственных мышц с SSVS (от self-sensing variable stiffness, т. е. самочувствительная переменная жесткость) стало фундаментом для нескольких весьма интересных идей в робототехнике.
Системы, которые объединяют актуацию (срабатывание) с переменной жесткостью и чувствительность, значительно упростили конструкцию робота и представляют собой шаг вперед в развитии мягкой робототехники. Другими словами, робот, обладающий таким функционалом, мог бы самостоятельно регулировать жесткость своих мышц в ответ на воспринимаемые им внешние силы и деформации. Гидравлический привод искусственных мышц изготовлен из недорогих полимерных трубок. Срабатывание происходит в результате воздействия на трубки: сначала они вытягиваются, что усиливает анизотропию их микроструктуры, а затем скручиваются и по спирали сматываются.
После вытягивания и скручивания гидравлическое или пневматическое давление внутри трубки приводит к локальному раскручиванию спиральной микроструктуры. Это раскручивание проявляется как сокращение шага спирали.
Как отмечают сами ученые, их разработка может быть весьма полезна в создании носимой реабилитационной робототехники (например, роботизированные протезы), где ее способность контролировать деформацию и регулировать жесткость будет весьма кстати. В будущем ученых ждет еще немало работы, в частности по определению лучших комбинаций слоя геля PVC и слоя CNT-Ecoflex для дальнейшего улучшения характеристик датчиков.