Инженеры из Университета Небраски-Линкольна разработали инновационную искусственную мышцу для роботов, которая может обнаруживать повреждения, определять место травмы и самостоятельно восстанавливаться без вмешательства человека, имитируя удивительные способности к самовосстановлению, присущие тканям человека и растений.
Многослойная архитектура искусственных мышц
В архитектуре усовершенствованных искусственных мышц все чаще используются многослойные конструкции, которые повышают функциональность и универсальность. Эти сложные структуры обычно состоят из отдельных слоев со специализированными функциями, аналогичными биологической организации мышц.
Например, интеллектуальная самовосстанавливающаяся искусственная мышца Массачусетского технологического института включает в себя специальный приводной слой в верхней части, который генерирует основную движущую силу. Такой многоуровневый подход позволяет инженерам разделить функции восприятия и приведения в действие на отдельные компоненты, минимизируя электрические помехи и упрощая систему в целом.
Многослойные конструкции обеспечивают значительные преимущества при создании сложных схем движения. Многослойные искусственные мышечные волокна (MAM), вдохновлённые саркомерами, используют недорогое аддитивное производство для создания структур, способных к различным режимам работы, включая удлинение, изгиб и скручивание.
Некоторые конструкции, такие как пневматическая искусственная мышечная нить с несколькими датчиками (mPAMy), включают в себя резиновую трубку, покрытую проводящими материалами и окружённую плетёным слоем, что обеспечивает одновременное приведение в действие и проприоцептивную чувствительность.
Такое иерархическое строение напоминает биологические системы, в которых различные слои тканей работают сообща, обеспечивая скоординированные движения в разных направлениях, чего не могут добиться обычные однослойные искусственные мышцы.
Обнаружение микрокапель жидкого металла
Обнаружение микрокапель жидкого металла имеет решающее значение для применения в мягкой робототехнике и самовосстанавливающихся системах. Емкостное зондирование предлагает экономичный и масштабируемый подход к мониторингу этих капель, использующий значительный диэлектрический контраст между жидкими металлами и несущими жидкостями. Коммерческие емкостные датчики с плоскими электродами, расположенными под микроканалами, могут определять наличие, размер и скорость капель с высокой точностью (4 фФ) и 24-битным разрешением.
В таких системах обычно используются две конфигурации для обнаружения капель: простая двухконтактная конструкция для определения наличия капель и конструкция с межпальцевыми электродами для измерения размеров и скорости капель.
Для высокотемпературных применений жидких металлов требуются специализированные методы обнаружения из-за сложности работы с расплавленными металлами. В микрофлюидных системах капли жидкого металла могут быть созданы и обнаружены с помощью PDMS/стеклянных чипов с F-образными генераторами, где диэлектрофорез (DEP) обеспечивает активную сортировку с помощью бесконтактных электродов. Системы обнаружения могут отслеживать образование капель в режиме реального времени с помощью таких интерфейсов, как Labview, с теоретическим пределом обнаружения примерно 15 капель в секунду для типичных конфигураций.
Эта технология особенно ценна для самовосстанавливающихся роботизированных систем, которые требуют точного контроля и мониторинга компонентов из жидкого металла.
Автономная Система Локализации повреждений
Автономные системы локализации повреждений представляют собой важнейшее достижение в области самовосстанавливающейся робототехники, позволяющее машинам точно определять местоположение и степень повреждения без участия человека.
В таких системах обычно используется гибридный подход, сочетающий в себе несколько технологий обнаружения. Методы, основанные на компьютерном зрении, используют камеры с моделями глубокого обучения для обнаружения поврежденных участков, а затем применяют методы компьютерного зрения, которые преобразуют пиксельные координаты в пространственные координаты в трехмерной системе координат.
Этот двухэтапный процесс позволяет роботам сначала в общих чертах определить поврежденные участки, а затем провести более детальное сканирование конкретных областей, что значительно повышает эффективность по сравнению с традиционными методами ручной проверки.
Внедрение этих систем в практическое применение показало многообещающие результаты. Например, роботизированные лазерные установки для ремонта могут автономно определять и количественно оценивать повреждения на изношенных компонентах с помощью камеры, соединенной с датчиками лазерной триангуляции.
Этот подход продемонстрировал погрешность менее 1° при угловом смещении и примерно 10 мм при измерении длины цилиндрических компонентов. Такие автономные системы локализации позволяют сократить время ремонта более чем на 63% по сравнению с традиционными процессами ремонта, что делает их особенно ценными для отраслей, требующих частого обслуживания механических компонентов.
По мере развития этих систем они будут играть важную роль в создании по-настоящему автономных роботизированных систем, способных обнаруживать, локализовать и устранять повреждения с минимальным вмешательством человека.