Роботы будущего обзаведутся настоящей мускулатурой. Инженеры из Северо-Западного университета создали мягкую искусственную мышцу, открывая дорогу для автономных роботов размером с человека или животное. Эти новые мышцы, или приводы, обладают всеми необходимыми качествами, чтобы стать основой для роботизированных опорно-двигательных систем.

Чтобы продемонстрировать возможности своей разработки, инженеры собрали ногу робота в натуральную величину. У нее есть жесткие пластиковые «кости», эластичные „сухожилия“ и даже сенсор, который позволяет роботу „чувствовать“ собственные движения. В ноге работают три искусственные мышцы — квадрицепс, бицепс бедра и икроножная. Они сгибают коленный и голеностопный суставы. Мышцы достаточно гибкие, чтобы гасить удары, но при этом обладают достаточной силой, чтобы, например, сбить волейбольный мяч с подставки.

Эта новая биоинспирированная технология может изменить то, как роботы ходят, бегают, взаимодействуют с людьми и ориентируются в окружающем мире.

Исследование опубликовали в журнале Advanced Materials.

Обычно роботов делают из жестких материалов и механизмов, которые обеспечивают точные движения для конкретных задач, — говорит Райан Труби, старший автор работы. — Но реальный мир постоянно меняется и невероятно сложен. Наша цель — создавать биоинспирированные robotic тела, которые будут гибкими, адаптивными и смогут принять неопределенность физического мира. Это подразумевает объединение не только практичных искусственных мышц, но и аналогов костей и сухожилий. Если у нас получится, роботы станут не только более устойчивыми и адаптируемыми. Они смогут использовать механику мягких материалов, чтобы стать более эффективными.

Труби — профессор материаловедения и машиностроения в Школе инженерии Маккормика, где он руководит Лабораторией роботизированной материи. Тхэкён Ким, постдок в лаборатории Труби, стал первым автором статьи.

С какими сложностями столкнулись ученые при создании мышцы

Большинство современных роботов — жесткие, неповоротливые и громоздкие. Им сложно плавно адаптироваться к неровной поверхности или выполнять сложные, тонкие задачи, не сломав при этом что-нибудь и не поранив себя.

Без физической гибкости роботам трудно плавно реагировать на внешние изменения и безопасно взаимодействовать с людьми, — поясняет Ким. — Чтобы роботы будущего двигались более естественно и безопасно в непредсказуемой среде, мы должны проектировать их больше похожими на человеческие тела — с твердым скелетом и мягкими, похожими на мышцы, приводами.

В последнее время робототехники начали разрабатывать мягкие приводы со свойствами, напоминающими мышечные. Но современные подходы часто требуют большого и тяжелого оборудования для их питания. И даже тогда они недостаточно долговечны и не могут генерировать достаточно силы для выполнения реальных задач.

Очень сложно создать мягкий материал, который работал бы как мышца, — признается Труби. — Даже если вам удается заставить материал двигаться подобно искусственной мышце, возникает множество других проблем, например, передача достаточной силы. Их соединение с жесткими, похожими на кости, элементами создает еще больше трудностей.

Как сделали искусственную мышцу

Чтобы преодолеть эти challenges, команда обратила внимание на привод, ранее разработанный в лаборатории Труби. В его основе — напечатанная на 3D-принтере цилиндрическая структура под названием «рубероид с винтовым сдвигом» (HSA). Ее сложное строение обеспечивает уникальные движения и свойства, например, растяжение и расширение при скручивании. Необходимое для движения HSA скручивание создает небольшой встроенный электромотор. Ким разработал метод 3D-печати HSA из распространенной недорогой резины, которую часто используют для чехлов телефонов.

В новой конструкции команда поместила HSA в резиновую оболочку, напоминающую гармошку оригами. Это позволяет вращающемуся мотору приводить в движение собранные приводы, заставляя их растягиваться и сжиматься. Приводы теперь толкают и тянут с впечатляющей силой, работая как настоящие мышцы. Мышца может даже динамически твердеть при активации — точно так же, как человеческая.

Каждая такая мышца весит примерно как футбольный мяч и чуть больше банки газировки. Она может растягиваться на 30% от своей длины, сжиматься и поднимать объекты в 17 раз тяжелее себя. Возможно, самое главное для их использования в роботах — мышцу можно питать от батареи, что избавляет от необходимости использовать громоздкое внешнее оборудование.

Нога в натуральную величину, которая умеет «пинать» и „чувствовать“

Чтобы продемонстрировать потенциал мышцы в реальном мире, Труби, Ким и их команда с помощью 3D-печати собрали ногу робота размером с человеческую. Команда сделала «кости» ноги из жесткого пластика, а соединители, вдохновленные сухожилиями, — из резины. Эластичные сухожилия соединяют мышцы квадрицепса и бицепса бедра с большеберцовой костью, а икроножную мышцу — со структурой стопы. Сухожилия и мышцы помогали смягчать движения и поглощать удары, подобно биологической опорно-двигательной системе.

Команда также добавила гибкий напечатанный на 3D-принтере сенсор, который позволяет ноге «чувствовать» собственную мышцу. Он устроен как бутерброд: гибкий токопроводящий слой зажат между двумя непроводящими. Когда искусственная мышца движется, сенсор тоже движется. При его растяжении электрическое сопротивление меняется, позволяя роботу ощущать, насколько его мышца растянута или сокращена.

В результате получилась компактная нога с батарейным питанием. Одного заряда портативного аккумулятора хватило, чтобы нога сгибала колено тысячи раз в течение часа. Добиться similar capabilities с другими технологиями мягких приводов было бы сложно, если вообще возможно.

Создавая для роботов новые материалы с характеристиками биологических опорно-двигательных систем, мы можем делать роботов более выносливыми и надежными для использования в реальном мире, — говорит Труби. — Нам не терпится увидеть, как эти искусственные мышцы зададут новые направления для роботов-гуманоидов и роботов-животных.

Реальная польза этого исследования лежит в плоскости преодоления ключевого ограничения современной робототехники — хрупкости и неадаптивности. Жесткие промышленные роботы великолепны на конвейере, но беспомощны в обычной квартире, на заваленной стройплощадке или при спасательной операции. Мягкие искусственные мышцы, особенно в сочетании с подобием костей и сухожилий, открывают путь к созданию роботов, которые не сломаются, споткнувшись о ковер, не раздавят хрупкий предмет в манипуляторе и смогут безопасно работать рядом с людьми. Это может радикально изменить логистику (роботы-грузчики, адаптирующиеся к форме груза), протезирование (бионические конечности с естественной биомеханикой) и даже сферу услуг, где требуется аккуратное физическое взаимодействие.

Основное критическое замечание касается масштабируемости и энергоэффективности. В демонстрации использована нога с тремя мышцами, но для полноценного гуманоидного робота потребуется несколько десятков таких приводов. Вопрос о том, как будет решена задача питания всех этих мышц от портативных батарей в течение длительного времени без значительного увеличения веса, остается открытым. Кроме того, несмотря на впечатляющую грузоподъемность (подъем объекта в 17 раз тяжелее себя), общий КПД системы и ее долговечность при интенсивной циклической нагрузке (как при ходьбе) еще требуют тщательного изучения в долгосрочной перспективе.

Ранее ученые разработали искусственные мышцы с самовосстановлением.