Инженеры разрабатывают самовосстанавливающиеся мышцы для роботов

Устройство обнаруживает повреждения, заживляет их и возвращается в режим обнаружения новых.

Команда инженеров из Университета Небраски–Линкольна сделала ещё один шаг к созданию мягкой робототехники и носимых систем, которые имитируют способность кожи человека и растений обнаруживать повреждения и самостоятельно восстанавливаться.

Инженер Эрик Марквичка вместе с аспирантами Итаном Кригсом и Патриком МакМенигалом недавно представили доклад на Международной конференции IEEE по робототехнике и автоматизации (ICRA) в Атланте, где изложили системный подход к мягкой робототехнике, способной выявлять повреждения от прокола или давления, определять их местоположение и автономно инициировать самовосстановление.

Доклад вошёл в число 39 лучших из 1606 заявок и стал финалистом премии ICRA 2025 Best Paper Award. Он также был отмечен в номинациях «Лучшая студенческая работа» и «Механизмы и дизайн».

Подход команды может помочь преодолеть давнюю проблему в разработке мягкой робототехники, которая использует принципы, вдохновлённые природой.

«В нашем сообществе есть огромный интерес к тому, чтобы воспроизводить традиционные жёсткие системы с помощью мягких материалов и использовать биомимикрию, — сказал Марквичка, доцент кафедры биомедицинской инженерии имени Роберта Ф. и Мирны Л. Крон. — Мы научились создавать растяжимую электронику и мягкие актуаторы, но они редко имитируют биологию в способности реагировать на повреждения и запускать самовосстановление».

Чтобы восполнить этот пробел, команда разработала интеллектуальную самовосстанавливающуюся искусственную мышцу с многослойной архитектурой, которая позволяет системе обнаруживать и локализовать повреждения, а затем инициировать процесс саморемонта — без внешнего вмешательства.

«Человеческое тело и животные — потрясающие системы. Мы можем получать порезы, синяки и даже серьёзные травмы. И в большинстве случаев, при минимальной помощи извне, наш организм способен к самовосстановлению, — отметил Марквичка. — Если мы сможем воспроизвести это в синтетических системах, это радикально изменит наше понимание электроники и машин».

«Мышца» (или актуатор — элемент робота, преобразующий энергию в движение) состоит из трёх слоёв. Нижний — слой обнаружения повреждений — это мягкая электронная «кожа» из микрокапель жидкого металла в силиконовом эластомере. Она соединена со средним слоем — самовосстанавливающимся термопластичным эластомером. Сверху расположен слой актуатора, который обеспечивает движение при подаче воды под давлением.

Процесс начинается с подачи пяти контрольных токов через нижнюю «кожу» мышцы, соединённую с микроконтроллером и измерительной схемой. Прокол или повреждение давлением вызывает образование электрической сети между проводящими дорожками. Система распознаёт этот «электрический отпечаток» как след повреждения и увеличивает ток в новой сети.

Эта сеть начинает работать как локальный нагреватель Джоуля, преобразуя энергию тока в тепло в зоне повреждения. Через несколько минут тепло расплавляет средний термопластичный слой, который заделывает повреждение — фактически «заживляя рану».

Заключительный этап — сброс системы в исходное состояние путём стирания «электрического отпечатка» повреждения в нижнем слое. Для этого команда Марквички использует электромиграцию — процесс, при котором электрический ток вызывает перемещение атомов металла. Обычно это негативное явление, приводящее к разрушению микросхем.

Однако исследователи обратили минус в плюс: с помощью электромиграции они нашли способ стирать временные проводящие сети, возникающие при повреждениях. При увеличении тока электромиграция и тепловые эффекты разрывают цепь и возвращают слой к исходному виду.

«Электромиграция обычно считается серьёзной проблемой, — отметил Марквичка. — Она ограничивает миниатюризацию электроники. Но мы впервые применили её положительно — чтобы стирать повреждения, которые считались постоянными».

Автономная самовосстанавливающаяся технология может изменить многие отрасли. В сельском хозяйстве, например, роботы сталкиваются с ветками, шипами, пластиком и стеклом. В носимой электронике — устройства должны выдерживать ежедневные нагрузки.

Шире — она может помочь бороться с электронными отходами. Сегодня большинство потребительской электроники служит 1–2 года и добавляет миллиарды тонн токсичного мусора. Самовосстанавливающиеся материалы могут радикально уменьшить этот поток.

«Если мы создадим материалы, которые сами обнаруживают повреждения и запускают самовосстановление, это будет по-настоящему трансформирующе», — подытожил Марквичка.