Дослідники з лабораторії MIT Media Lab та італійського Політехнічного університету Барі розробили штучні м'язові волокна, які прагнуть відтворити силу, швидкість та керованість природних м'язів, не вдаючись до громіздких двигунів або зовнішніх помп.
Ця система може змінити підхід до створення роботів і пристроїв, що носяться.
Результати дослідження були опубліковані у журналі Science Robotics.
Електрофлюїдні волоконні м'язи, створені командою, є електроприводні актуатори, виконані у вигляді волокон.
На відміну від традиційних роботизованих систем, що залежать від жорстких двигунів, ці волокна скорочуються і розтягуються подібно до біологічних м'язів, що робить їх більш придатними для взаємодії з людиною і створення компактних роботизованих конструкцій.
Кожне волокно поєднує в собі дві технології: рідинно-привідний штучний м'яз, відомий як тонкий актуатор Маккіббена, і мініатюрна твердотілова помпа, заснована на електрогідродинаміці.
Ця помпа створює тиск усередині герметичної рідинної системи без частин, що рухаються, що виключає необхідність у зовнішніх гідравлічних системах.
Такий підхід усуває одне з головних обмежень у м'якій робототехніці. Традиційні гідравлічні системи засновані на "важкій, громіздкій і найчастіше галасливій гідравлічній інфраструктурі", що ускладнює інтеграцію в мобільні або системи, що носяться, — каже провідний дослідник Озгун Кіліч Афсар.
Подолання обмежень проєктування гідравлічних систем
Для подолання цього обмеження команда вбудувала помпи міліметрового масштабу у волокна. Ці помпи створюють тиск, впорскуючи заряд діелектричної рідини, створюючи іони, які тягнуть рідину. В результаті виходить легка система, що масштабується, яка може працювати безшумно.
"Ми інтегрували ці волоконні помпи в замкнутий гідравлічний контур з тонкими актуаторами Маккіббена", - сказав Афсар, наголошуючи на складності об'єднання двох систем.
Дослідники також запозичили ключову концепцію з біології. Вони розташували волокна антагоністичними парами, де одна скорочується, а інша розтягується, подібно до того, як працюють біцепси та трицепси.
"Це дуже нагадує те, як влаштовані та організовані біологічні м'язи", - сказав Афсар.
"Ми обрали цю конфігурацію не просто заради біомімікрії, а тому, що нам потрібен був спосіб зберігання рідини всередині м'язової структури".
Завдяки об'єднанню волокон у замкнутий контур система усуває необхідність у зовнішньому резервуарі для рідини, що тривалий час було перешкодою для використання електрогідродинамічних помп у реальних роботах.
Регулювання тиску підвищує продуктивність
Ще однією ключовою вимогою була підтримка внутрішнього тиску. Команда виявила, що волокна мають бути попередньо герметизовані, щоб уникнути зламу. Якщо тиск падає дуже низько, може статися кавітація, утворюючи парові бульбашки, які порушують роботу системи.
"Існує мінімальний внутрішній тиск у системі, який вона може витримувати", - сказав Афсар, - "нижче якого помпа може вийти з ладу або тимчасово перестати працювати".
Щоб запобігти цьому, дослідники ввели тиск усунення, який підтримує стабільність системи. Регулювання цього тиску дозволяє інженерам вибирати між швидшою реакцією і сильнішим скороченням залежно від сфери застосування.
Конструкція вирішує ключове обмеження традиційної робототехніки. Більшість роботизованих кінцівок використовують сервомотори, які генерують обертальний рух, який потім має бути перетворений на лінійний рух.
"Більшість роботизованих рук і людиноподібних роботів проєктуються з урахуванням сервомоторів, які їм надають руху", - сказав Віто Какуччоло.
"Це створює обмеження інтеграції, оскільки сервомотори важко щільно розмістити, і вони, як правило, концентрують масу поблизу суглобів, яким вони надають руху".
На відміну від цього, ці м'язові волокна можуть бути розподілені по всій конструкції, що дозволяє створювати легші та гнучкіші конструкції. Потенційні сфери застосування включають екзоскелети, протези та м'які роботизовані системи, що вимагають безпечної взаємодії з людиною.
Незалежні експерти кажуть, що ця робота знаменує собою крок уперед в області м'якого приводу, особливо тому, що система працює безшумно і без частин, що рухаються.
