Мощный спринт гепарда, гибкое скольжение змеи или точное движение человеческой руки — все это возможно благодаря идеальной совместной работе мягких и жестких тканей. Мышцы, сухожилия, связки и кости работают как один слаженный механизм, обеспечивая энергию, точность и свободу движений, которые мы видим в животном мире.

Повторить это биологическое разнообразие в робототехнике невероятно сложно. Один из способов — печатать роботов из нескольких материалов сразу. Так можно имитировать разные типы тканей, но нельзя плавно менять ключевые свойства, например, жесткость или прочность, по всей конструкции робота. Это все равно что собрать конструктор только из деталей двух цветов.

Но команда инженеров из Лаборатории CREATE в EPFL под руководством Джози Хьюз нашла изящное решение. Они создали особую решетчатую структуру из простого пеноматериала, которая сочетает в себе разнообразие живой природы с точностью машины. Эта решетка состоит из множества маленьких ячеек. Каждую ячейку можно запрограммировать — придать ей нужную форму и расположить определенным образом в пространстве. Комбинируя их, можно создавать бесконечное количество вариантов.

Мы использовали нашу технологию, чтобы собрать слона-робота, — рассказывает исследователь Цинхуа Гуан. — У него мягкий хобот, который умеет скручиваться, изгибаться и поворачиваться, а также более жесткие суставы бедер, коленей и стоп. Наш метод позволяет создавать невероятно легких и адаптивных роботов.

Это исследование опубликовали в журнале Science Advances.

Ученые могут программировать решетку в двух измерениях. Во-первых, они меняют форму каждой ячейки. Есть два основных типа: BCC-ячейка и X-куб. Из первого типа получаются более мягкие и гибкие структуры, из второго — жесткие и прочные. Но главная хитрость в том, что можно создавать гибридные ячейки — любые промежуточные варианты между этими двумя формами.

Это как плавный регулятор жесткости, — объясняет студент Бенхуэй Дай. — Он позволяет идеально повторять структуру таких мускульных органов, как хобот слона.

Во-вторых, инженеры программируют положение каждой ячейки в решетке: поворачивают их, смещают и даже накладывают друг на друга. Это открывает просто космические возможности для настройки свойств материала. Куб решетки всего с пятью наложенными ячейками может иметь более 75 миллионов различных конфигураций.

Для своего слона команда воспроизвела несколько типов биологических тканей с уникальной подвижностью:

• Сустав для скольжения (как в мелких костях стопы).
• Сустав для сгибания в одну сторону (как колено).
• Сустав для сгибания в две стороны (как в пальцах).

Сложнейшее движение хобота удалось повторить, создав отдельные секции решетки, отвечающие за скручивание, изгиб и вращение, с плавными переходами между ними.

Джози Хьюз говорит, что их технология открывает массу возможностей. Решетка, как соты, очень прочная, но при этом невероятно легкая. Ее пористая структура отлично ведет себя в жидкостях, а внутрь нее можно встраивать, например, сенсоры, чтобы наделить материал «интеллектом».

Реальная польза этой технологии лежит в области, где роботам требуется безопасное и эффективное взаимодействие с хрупкими объектами и людьми. Представьте себе:

• Протезирование нового поколения: Искусственные конечности смогут не просто двигаться, а точно имитировать механику человеческой руки или ноги, обеспечивая естественность движений и комфорт.
• Биомедицинские роботы: Хирургические инструменты, способные изгибаться и менять жесткость, как хобот слона, позволят проводить сверхточные малоинвазивные операции через крошечные разрезы.
• Поисково-спасательные операции: Легкие и прочные роботы смогут пробираться под завалы, адаптируясь к сложному рельефу и манипулируя обломками, не повреждая их.
• Авиация и космос: Создание сверхлегких и прочных конструкций с программируемыми свойствами для дронов или космических аппаратов.

Основной вопрос, который пока остается открытым, — это долговечность и устойчивость пеноматериала к износу в реальных условиях. Биологические ткани обладают способностью к самовосстановлению, а данная решетка — нет. Многократная деформация, особенно в гибридных ячейках, может приводить к усталости материала, микротрещинам и возможному разрушению. Прежде чем говорить о коммерческом применении, необходимо провести длительные стресс-тесты, чтобы доказать, что эта инновационная структура выдержит не только лабораторные демонстрации, но и суровые условия реального мира.

Ранее ученые разработали мягкого робота с лазерным управлением.