Южнокорейские учёные создали искусственную мышцу для роботов с рекордной грузоподъёмностью
Южнокорейские исследователи разработали искусственную мышцу для гуманоидных роботов, способную поднимать вес, превышающий её собственную массу в 4400 раз. Этот новый материал, состоящий из полимеров, покрытых управляемыми магнитными микрочастицами, точно имитирует процессы сокращения и расслабления естественных мышц. Благодаря этому он обеспечивает высокую степень гибкости, одновременно выдерживая значительные рабочие нагрузки — комбинация, которую до сих пор было крайне сложно достичь в данной технологии.
Искусственные мышцы, являющиеся мягкими приводами, предназначенными для воспроизведения функциональности и гибкости биологических мышц, представляют собой один из ключевых компонентов робототехники нового поколения и биомедицинских устройств. По сравнению с жёсткими приводами, такими как пневматические поршни, они обладают большей универсальностью, меньшим весом и лучше интегрируются в сложные системы, например, в гуманоидных роботов. Эти преимущества позволяют осуществлять более безопасное и адаптивное взаимодействие как в процессах совместной работы человека и робота, так и в динамичных средах.
Однако, несмотря на свою гибкость, большинство существующих подобных устройств всё ещё ограничены в плане прочности. Они могут выдерживать лишь относительно низкую плотность работы, то есть количество энергии, выдаваемое на единицу объема. Эта слабость объясняется тем, что их модули упругости по своей природе обладают низким сопротивлением, что снижает выходное усилие, грузоподъёмность и повторяемость движений. Эти ограничения сдерживают применение технологий в гуманоидной робототехнике, перспективы которой связаны с задачами, требующими поднятия тяжестей, такими как работа на складах или помощь людям с ограниченной подвижностью.
Чтобы преодолеть эти барьеры, исследователи из Национального института науки и технологий Ульсана (UNIST) в Южной Корее создали искусственную мышцу, которая одновременно является и гибкой, и способной выдерживать высокую плотность работы. Как пояснил Хун Ый Чон, профессор машиностроения в UNIST и соавтор исследования, эта работа позволяет преодолеть фундаментальное ограничение традиционных искусственных мышц, которые были либо очень растяжимыми, но слабыми, либо сильными, но жёсткими. Новый композитный материал сочетает в себе оба этих свойства, открывая путь к созданию более универсальных мягких роботов, носимых устройств и интуитивных интерфейсов «человек-машина».
Разработанная учёными искусственная мышца представляет собой высокопроизводительный магнитный композитный привод. В её основе лежит комплекс полимеров, имитирующих сократимость и гибкость натуральных мышц. Один из полимеров с регулируемой жёсткостью интегрирован в матрицу, покрытую магнитными микрочастицами, поведением которых можно управлять по требованию для изменения жёсткости всей мышцы. Конструкция использует два механизма сшивки: сетку с ковалентными связями и вторую, обратимую сетку с физическими взаимодействиями. Эта комбинация придает мышце прочность, необходимую для длительной работы, при сохранении высокой гибкости. Прочность также обеспечивается физической сетью и магнитными микрочастицами, которые активируются специальной жидкостью на основе октадецилтрихлорсилана.
В ходе испытаний на одноосное растяжение, когда сила прилагается к образцу до его разрыва, были измерены выдающиеся характеристики мышцы. Результаты, подробно описанные в журнале Advanced Functional Materials, показали, что мышца весом всего 1,3 грамма способна выдерживать нагрузку до 5 килограммов. Она достигает максимальной сократимости в 86,4% и выдерживает плотность работы около 1150 килоджоулей на кубический метр, что примерно в тридцать раз превышает аналогичный показатель человеческой мышцы.