Автоматическое плетение «тканевых мышц» приближает коммерциализацию
Доктор Чхоль Хун Пак (в центре), главный научный сотрудник KIMM, изучает легкого носимого робота в одежде.
Коммерциализация носимых роботов для одежды сделала значительный шаг вперед с разработкой оборудования, которое может непрерывно и автоматически сплетать ультратонкую пряжу из рулонного сплава с памятью формы — тоньше человеческого волоса — в легкую и гибкую «тканевую мышцу», пригодную для крупномасштабного производства.
Исследовательский центр перспективной робототехники при Корейском институте машин и материалов (KIMM) при Национальном исследовательском совете по науке и технологиям (NST) во главе с главным научным сотрудником Чхоль Хун Парком разработал автоматизированную ткацкую систему, которая обеспечивает непрерывное массовое производство тканевых мышц, легких, но мощных искусственных мышечных приводов.
Работа опубликована в журнале IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering.
В недавно разработанной системе используется проволока из сплава с памятью формы (SMA) диаметром 25 мкм — примерно четверть толщины человеческого волоса — переработанная в спиральную пряжу, что обеспечивает непрерывное плетение мышц ткани. Эта ткань весом всего 10 г может поднимать 10–15 кг, что делает ее идеальным основным приводом для носимых роботов типа «одежда».
В рулонной пряже SMA, ранее разработанной KIMM, использовалась проволока с металлическим сердечником, что привело к низкому удлинению и затруднило автоматическое ткачество.
Чтобы преодолеть это ограничение, исследовательская группа KIMM заменила металлический сердечник на натуральное волокно, переработала структуру и процесс изготовления тканевой мышцы, а также улучшила конструкцию ткацкого станка, тем самым достигнув стабильного и непрерывного массового производства.
Обычные носимые роботы, предназначенные для помощи нескольким суставам, таким как локоть, плечо и талия, полагались на тяжелые, шумные моторные или пневматические приводы, что делало их громоздкими, дорогими и неудобными для длительного использования. В результате, большинство из них могли обеспечить лишь ограниченную поддержку определенных суставов.
Активная помощь плечу была особенно сложной задачей из-за его сложного диапазона движений. В отличие от них, тканевые мышечные приводы KIMM легкие и гибкие, что позволяет им естественно приспосабливаться и активно помогать нескольким сложным суставам одновременно.
Используя эту технологию, исследовательская группа разработала первого в мире носимого робота для одежды весом менее 2 кг, который одновременно помогает локтю, плечу и талии, снижая мышечные усилия более чем на 40% во время повторяющихся физических задач.
Кроме того, команда создала сверхлегкого плечевого робота весом всего 840 г, которого пациенты с мышечной слабостью могут удобно носить и носить в повседневной жизни.
В клинических испытаниях, проведенных в больнице Сеульского национального университета (SNUH) на пациентах с мышечной слабостью, в том числе с мышечной дистрофией Дюшенна, носимый плечевой робот улучшил диапазон движений плеча более чем на 57%.
Благодаря возможности непрерывного производства высококачественных, однородных мышц ткани с помощью автоматизированной ткацкой системы, исследовательская группа заложила основу для коммерциализации носимых роботов типа одежды.
Ожидается, что этот прорыв снизит физическую нагрузку на рабочих, улучшит качество жизни пациентов и ускорит широкое внедрение носимых роботов, тем самым повысив конкурентоспособность промышленности. В частности, ожидается, что плечевой робот, предназначенный для поддержки реабилитации и повседневной деятельности пациентов с мышечной слабостью, снизит нагрузку на лиц, осуществляющих уход, одновременно повышая независимость пациента, качество жизни, самооценку, а также общее самочувствие.
«Наша разработка технологии непрерывного массового производства тканевых мышц — ключевого компонента носимых роботов типа «одежда» — значительно улучшит качество жизни в таких областях, как здравоохранение, логистика и строительство», — сказал доктор Чхоль Хун Парк, главный научный сотрудник Исследовательского центра передовой робототехники KIMM.
«Мы продолжим развивать обширные технологии носимой робототехники KIMM, чтобы ускорить коммерциализацию и занять лидирующие позиции на мировом рынке носимой робототехники».
Это исследование получило награду KIMM за лучшее исследование 2024 года.