Электрическая мышца. Более совершенные искусственные мышцы для роботов
Разработана технология создания недорогих искусственных мышц на основе жесткого каркаса, заключенного в мягкую камеру. Мышцы сокращаются за счет уменьшения в них давления, причем их можно создавать, используя разные материалы. Статья опубликована в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences .
Инженеры, разрабатывающие роботов, нередко используют в своих изобретениях конструкции, напоминающие по функциям живых существ. Несмотря на это, для движения роботы все равно чаще всего используют электромоторы или двигатели внутреннего сгорания, соединенные со сложными механическими передачами. Некоторые исследователи придерживаются другого подхода и разрабатывают источники движения, более близкие по своему устройству к мышцам. Уже существует немало прототипов искусственных мышц, которые могут сокращаться подобно настоящим мышцам, но почти все они требуют дорогих материалов и технологических процессов, при этом эффективность многих из них все еще низка.
Исследователи под руководством Роберта Вуда (Robert Wood) из Гарвардского университета разработали простую и недорогую технологию создания эффективных искусственных мышц, которые можно создавать из большого количества разных материалов. Принципиальная схема создания таких актуаторов довольно проста. В качестве основы используется каркас заданной формы, который может складываться и раскладываться. Затем вокруг этого каркаса склеиваются или сплавляются два фрагмента пленки из полимера или другого воздухонепроницаемого и мягкого материала. Таким образом формируется мягкая камера с жестким каркасом внутри, которая подключается к источнику разницы давления.
Принцип действия искусственных мышц
Shuguang Li et al. / PNAS, 2017
Управление актуатором происходит за счет уменьшения или увеличения давления жидкости или газа внутри камеры. В результате актуатор начинает менять форму: складываться или наоборот увеличиваться в размерах, а в случае с каркасом сложной формы, совершать другие движения - например, изгибаться в определенную сторону.
Пример захватывающего устройства
Shuguang Li et al. / PNAS, 2017
С помощью такой технологии исследователи создали несколько прототипов актуаторов, и измерили их эффективность. Один из этих прототипов, представляющий собой десятисантиметровый линейный актуатор весом менее трех грамм, смог поднять груз массой более трех килограмм. Исследователи подсчитали, что пиковая мощность таких актуаторов составляет около двух киловатт на килограмм массы, что делает их мощнее настоящих скелетных мышц млекопитающих.
Ранее ученые представляли множество прототипов искусственных мышц, работающих на основе разных принципов. Некоторые также работают за счет давления, например, основную часть которой занимает полимерная пена, покрытая силиконом, а также мягкие вакуумные из множества полых ячеек. Другие используют для своей работы нагревание: таким образом работают на основе нейлоновой лески и недавно представленный , наполненный пузырьками с этанолом, который при нагревании превращается в газ и расширяется. Помимо этого недавно был представлен из множества слоев двумерного материала, который расширяется при внедрении в него сторонних ионов. Кстати, не всегда искусственные мышцы сделаны полностью из искусственных материалов. Тайваньские ученые мышцы из тонкой пленки из кожицы лука, которая сокращается под действием электричества.
Григорий Копиев
Обычно технологические новинки создаются с применением экзотических и, соответственно, очень дорогих материалов. Но не в этом случае. Международная команда исследователей сообщила о создании искусственных мышц на основе обычной рыболовной лески. Искусственные мышцы могут найти свое применение в производстве протезов, экзоскелетов и гуманоидных роботов. Так что появление недорогой технологии в этой сфере может поспособствовать появлению множества интересных технических новинок на рынке.
Вообще, термин "искусственные мышцы" объединяет под собой разнообразные материалы, способные сокращаться, расширяться или вращаться под действием тепла, электричества или других стимулов. А как только действие стимула прекращается, материал возвращается к своей исходной форме. Один из возможных подходов к созданию искусственных мышц это сплавы с памятью формы, например никелево-титановые. Проблема лишь в том, что стоит такой материал около 5 000$ за килограмм. Даже еще более эффективны искусственные мышцы на основе пряжи из полых карбоновых трубок (однослойных нанотрубок). Но это тоже очень дорогая технология.
Рэй Боман, химик из Техасского Университета, провел годы, работая над искусственными мышцами из однослойных нанотрубок. Скрученная карбоновая нить стремится вернуться к исходному состоянию, возвращая приложенную энергию. Это подобно тому как скрученная резинка вращает пропеллер игрушечного вертолетика. Но в данном случае систему приводит в движение электрический импульс.
Успех с нанотрубками натолкнул Бомана на мысль о том, нельзя ли аналогичным образом использовать какой-нибудь другой, более дешевый синтетический материал. Секрет успеха в данном случае заключался в том, что все нановолокна располагались параллельно друг другу (так же как волокна настоящих мышц) и были способны менять длину. Таким образом под действием тока все нанотрубочки реагировали согласовано и нить сокращалась. Такая же структурная особенность характерна для обычного нейлона, полимерные цепочки которого ориентированы вдоль волокна. И Боман решил выяснить, не может ли нейлон работать как искусственные мышцы.
Результат превзошел самые смелые ожидания. Боман и его коллеги из Техаса, Австралии и Китая работали над пластиковыми волокнами, скручивая их в нити. Оказалось, что такая пряжа способна сокращаться на 50% под действием тепла и возвращаться к исходному состоянию при охлаждении. Для сравнения, настоящие мышцы сокращаются всего на 20% своей длины. Связка волокон общим диаметром всего в 10 раз больше диаметра человеческого волоса способна поднять 7,2 кг. И производить такие искусственные мышцы возможно на основе самого заурядного материала ценой всего в 5$ за килограмм.
Один из вариантов искусственных мышц можно увидеть в верхней части фотографии (две трубочки). Они поднимают автомобильную покрышку весом 22 кг. Фото: Массачусетский технологический институт
Искусственные «мышцы» претендуют на роль безопасных и мощных приводов для множества различных устройств: от обычных машин до имплантируемой электроники и робототехники. Но часто конструкция и производство таких «мышц» слишком сложны и дороги, что ограничивает их использование. Группа учёных из Массачусетского технологического института и Гарвардского университета разработали предельно простую конструкцию биосовместимого привода стоимостью менее доллара , при этом достаточно мощного для столь примитивного устройства.
Приводы можно изготавливать из разных материалов и разного размера, используя опубликованный дизайн в стиле оригами. Они работают в воздухе, под водой, в вакууме.
Базовая концепция нового устройства включает в себя только сжимаемый каркас, внешнюю оболочку («кожу») и наполнитель, коим может быть любой флюидный материал, например, воздух или вода.
Эксперименты показали, что подобные приводы способны сжиматься до 10% своей максимальной длины, они выдерживают нагрузку до 600 кПа, а максимальная удельная мощность превышает 2 киловатта на килограмм. Это примерно соответствует или даже превышает удельную мощность человеческих мышц.
Дизайн, процесс производства и получившиеся многомасштабные приводы
Работа искусственных мышц, а также дешёвый процесс их производства показан на иллюстрации вверху.
Легенда
(А) Миниатюрные линейные приводы с применением зигзагообразных оригами-структур из полиэфирэфиркетона (PEEK) в качестве каркасов и плёнки ПВХ в качестве «кожи». Благодаря применению биосовместимых материалов такие приводы пригодны для использования в медицинских имплантатах и носимой электронике. (В) Большой мощный привод, собранный на зигзагообразном каркасе из нейлоновых печатных форм. «Кожа» сделана из нейлона с покрытием из термопластичного полиуретана. Автомобильное колесо весом 22 кг поднимается на высоту 20 см за 30 секунд (видео). (С) Принцип работы привода. Сокращение мышц происходит, в основном, за счёт силы натяжения «кожи». Эта сила создаётся разницей давления между внутренней и внешней флюидной средой. Удаление флюидного материала из привода временно увеличивает внутреннее давление. (D) Процесс производства. Стандартный привод можно быстро произвести в три простых этапа: создание каркаса, используя любой из множества способов производства; подготовка «кожи»; запечатка герметичного влагонепроницаемого слоя.
Линейные зигзагообразные приводы, изготовленные разными методами из различных материалов
В части A показан тонкий прозрачный привод, который поднимает акриловую пластину. Здесь каркас изготовлен из прозрачного полотна полиэстера толщиной 0,254 мм методом лазерной резки и ручной складки. Кожа: прозрачная плёнка ПВХ (винил) толщиной 0,102 мм. Флюидный материал: воздух.
На иллюстрации В мягкий линейный привод хорошо работает даже будучи заключённым в металлическую гайку. Каркас и кожа: силиконовая резина и термопластичный полиуретан 0,24 мм. Флюидный материал: воздух.
На иллюстрации С вакуумный растворимый привод растворяется в горячей воде при температуре около 70°С за пять минут. И каркас, и кожа изготовлены из поливинилацетата. Флюидный материал: воздух.
Наконец, на последней иллюстрации показано, что привод с водой вместо воздуха в качестве флюидного материала на стальном каркасе успешно работает под водой, в частности, передвигает 3,5-сантиметровую рыбку.
«Приводы типа искусственных мышц - это одна из самых главных задач вообще в инженерном деле, - говорит кандидат наук Роб Вуд (Rob Wood), один из четырёх авторов научной работы. - Теперь мы создали приводы с характеристиками, сходными с настоящими мышцами, так что можно представить изготовление практически любого робота для практически любой задачи».
Современные роботы могут многое. Но при этом им далеко до человеческой легкости и грациозности движений. И вина тому - несовершенные искусственные мышцы. Ученые многих стран стараются решить эту проблему. Статья будет посвящена краткому обзору их удивительных изобретений.
Полимерные мышцы от сингапурских ученых
Шаг к более недавно сделали изобретатели из Национального Сегодня андроиды-тяжеловесы двигаются за счет работы гидравлических систем. Существенный минус последних - небольшая скорость. Искусственные же мышцы для роботов, представленные сингапурскими учеными, позволяют киборгам не только поднимать предметы, которые в 80 раз тяжелее их собственного веса, но и делать это так же быстро, как и человек.
Инновационная разработка, растягивающаяся в длину в пять раз, помогает "обойти" роботам даже муравьев, которые, как известно, могут переносить предметы в 20 раз тяжелее веса их собственного тельца. Полимерные мышцы обладают следующими достоинствами:
- гибкостью;
- поражающей прочностью;
- эластичностью;
- способностью менять свою форму за несколько секунд;
- возможностью преобразовывать кинетическую энергию в электрическую.
Однако на этом ученые не собираются останавливаться - в их планах создать искусственную мускулатуру, которая бы позволила роботу поднимать груз, в 500 раз тяжелее его самого!
Открытие из Гарварда - мышцы из электродов и эластомера
Изобретатели, которые трудятся в Школе прикладных и инженерных наук Гарвардского университета, представили качественно новые искусственные мышцы для так называемых "мягких" роботов. По словам ученых, их детище, состоящее из мягкого эластомера и электродов, в чьем составе углеродные нанотрубки, по своим качествам не уступает человеческой мускулатуре!
Все существующие на сегодня роботы, как уже говорилось, имеют в своей основе приводы, чей механизм - это гидравлика или пневматика. Такие системы работают за счет сжатого воздуха или реакции химических веществ. Это не позволяет сконструировать робота, такого же мягкого и быстрого, как человек. Гарвардские ученые устранили этот недостаток, создав качественно новый концепт искусственных мышц для роботов.
Новая "мускулатура" киборгов - многослойная структура, в которой электроды из нанотрубок, созданные в лаборатории Кларка, управляют верхними и нижними слоями гибких эластомеров, являющихся детищем ученых уже из Калифорнийского университета. Такие мышцы идеальны как для "мягких" андроидов, так и для лапароскопических инструментов в хирургии.
На этом замечательном изобретении гарвардские ученые не остановились. Одна из последних их разработок - это биоробот-скат. Его составляющие - клетки сердечных мышц крыс, золото и силикон.
Изобретение группы Баухмана: еще один вид искусственных мышц на основе углеродных нанотрубок
Еще в 1999 г. в австралийском городке Кирхберге на 13-й встрече Международной зимней школы по электронным свойствам инновационных материалов выступил с докладом ученый Рей Баухман, работающий в компании Allied Signal и возглавляющий международную исследовательскую группу. Его сообщение было на тему изготовления искусственных мышц.
Разработчики под началом Рэя Баухмана смогли представить в виде листов нанобумаги. Трубочки в этом изобретении были всячески переплетены и перепутаны между собой. Сама нанобумага своим видом напоминала обычную - ее возможно было держать в руках, разрезать на полосы и кусочки.
Эксперимент группы с виду был очень прост - ученые прикрепили кусочки нанобумаги к разным сторонам клейкой ленты и опустили эту конструкцию в соляной электропроводный раствор. После того как была включена слабовольтная батарея, обе нанополоски удлинились, особенно та, что была связана с отрицательным полюсом электробатареи; затем бумага изогнулась. Модель искусственной мышцы функционировала.
Сам Баухман считает, что его изобретение после качественной модернизации существенно преобразит роботехнику, ведь такие углеродные мышцы при сгибании/разгибании создают электрический потенциал - производят энергию. К тому же такая мускулатура раза в три сильнее человеческой, может функционировать при крайне высоких и низких температурах, используя для своей работы невысокую силу тока и напряжения. Вполне возможно ее применение и для протезирования человеческих мышц.
Техасский университет: искусственные мышцы из рыболовной лески и швейных ниток
Одной из самых поразительных является работа ученой группы из Техасского университета, который расположен в Далласе. Ей удалось получить модель искусственной мускулатуры, по своей силе и мощности напоминающей реактивный двигатель - 7,1 л.с./кг! Такие мышцы в сотни раз сильнее и продуктивнее человеческих. Но самое удивительное здесь то, что их сконструировали из примитивных материалов - высокопрочной лески из полимера и швейной нитки.
Питание такой мышцы - это перепад температур. Обеспечивает его швейная нить, покрытая тонким слоем металла. Однако в будущем мышцы роботов могут подпитываться от перепадов температур окружающей их среды. Это свойство, кстати, вполне можно применять для адаптирующейся к погоде одежды и других подобных устройств.
Если скручивать полимер в одну сторону, то он будет резко сжиматься при нагревании и быстро растягиваться при охлаждении, а если в другую - то в корне наоборот. Такая нехитрая конструкция может, например, вращать габаритный ротор со скоростью 10 тыс. оборотов/мин. Плюс таких искусственных мышц из лески в том, что они способны сокращаться до 50 % от своей исходной длины (человеческие только на 20 %). Кроме этого, их отличает удивительная выносливость - эта мускулатура не "устает" даже после миллионного повторения действия!
От Техаса до Амура
Открытие ученых из Далласа вдохновило немало ученых со всего мира. Успешно повторить их опыт, однако, удалось только одному роботехнику - Александру Николаевичу Семочкину, главе лаборатории информационных технологий при БГПУ.
Вначале изобретатель терпеливо ждал новых статей в Science о массовом внедрении в жизнь изобретения американских коллег. Так как этого не происходило, амурский ученый решил со своими единомышленниками повторить замечательный опыт и сотворить своими руками искусственные мышцы из медной проволоки и рыболовной лески. Но, увы, копия оказалась нежизнеспособной.
