Наближава денят, в който може да минете покрай робот и да нямате никаква представа, че това е робот. През годините на инженерна работа ние дадохме на роботите скелети, мозъци, сетива и дори нервна система. Мускулите се оказаха особено сложни, макар и останалото да не беше лесно.

Изследователи от Харвардския факултет по инженерство и приложни науки „Джон А. Полсън“ са разработили метод за 3D-печат на изкуствени нишки, наподобяващи мускули, чието движение е ефективно програмирано директно в материала.

Тяхната работа изглежда е най-близкото до човешките мускули, до което са стигнали мускулните системи на роботите. Преди да продължим, не се притеснявайте, че ще се наложи да се борите за място във фитнес залата по време на роботското въстание. Не става въпрос за такъв тип мускули - поне не още. А защо изобщо трябва да се занимаваме с роботизирани мускули?

Въпросът е, че природата изисква гъвкавост. Всичко – от дърветата до октоподите – се огъва и извива. Ние също сме изградили човешки свят, който изисква същата адаптивност. Инфраструктурата, облеклото, инструментите и дори социалните взаимодействия са проектирани въз основа на механиката на меките биологични тела.

Освен гъвкавостта, взаимодействието с околния свят е една от причините, поради които инженерите-робототехници продължават да се опитват да правят машините по-подобни на човека, като ги оборудват със системи за зрение (очи), микрофони (уши), високоговорители (уста), сензори за допир и много други системи.

Тези системи са изключително функционални и ефективни. Мускулите обаче се оказват трудни за възпроизвеждане. За хората мускулите са просто още едно нещо, което пренебрегваме. Мислите да движите ръката си и изведнъж тя се издига, сякаш по магия. Само че това не е магия, a абсурдно сложна биологична система за задвижване. Същите мускули, които могат нежно да водят четката по платното, могат също да разбиват врати, да хвърлят брадви, да танцуват балет или да хващат падащи стъклени съдове, преди да ударят пода.

Това ниво на контрол е удивително от инженерна гледна точка.

Традиционните роботи вече се движат изключително добре, като използват електродвигатели, хидравлични и пневматични системи. Тези системи обаче обикновено са твърди, механично сложни и не особено грациозни. Наистина плавното, органично движение остава много по-трудно за възпроизвеждане.

Всъщност изследователите вече са разработвали меки роботизирани мускули. Пневматичните изкуствени мускули, например, използват сгъстен въздух, за да създадат плавно, подобно на биологичното движение. Други системи използват термочувствителни метали, полимери, реагиращи на електричество, магнитни материали или системи от сухожилия, задвижвани от кабели, вдъхновени от самото човешко тяло. Много от тях са изключително ефективни.

Проблемът е в компромисите.

Тези системи обикновено изискват обемисти външни компресори, тръбни инсталации или тежки носещи конструкции. Други се нуждаят от изключително високо напрежение, генерират прекомерна топлина, движат се бавно или са трудни за изработване в сложни форми. В много случаи самият „мускул“ е само една част от много по-голяма механична система.

Изследователите може би са намерили по-елегантен подход. Вместо да конструират роботи с отделни двигатели и механизми за движение, екипът разработи метод за 3D печат на изкуствени нишки, наподобяващи мускули, чието движение е ефективно програмирано директно в материала.

Тяхната система съчетава два вида меки материали: „активен“ течнокристален еластомер, който променя формата си при нагряване, и пасивен еластомер, който се съпротивлява на деформация. Чрез отпечатването на двата материала един до друг чрез въртяща се дюза изследователите могат да контролират с висока точност поведението на различните части на нишката впоследствие.

При нагряване активният материал се свива в предпочитана молекулярна посока. Тъй като пасивният материал се съпротивлява на това свиване, несъответствието принуждава нишката да се огъва, навива, усуква или навива на спирала. Въртенето на дюзата по време на печатането добавя още едно ниво на контрол, като записва спираловидни модели на молекулно подреждане директно в структурата.

Една нишка може да бъде програмирана да се изправи, навие на спирала, стегне, свие или разшири в зависимост от това как са подредени вътрешните ѝ материали, без зъбни колела, твърди съединения или механични системи след сглобяване.

Екипът демонстрира това чрез отпечатването на меки решетки и вълнообразни нишки, които се деформират по коренно различен начин под въздействието на топлината. Някои структури се разширяваха при нагряване, докато други се свиваха. В една от демонстрациите плоските решетки се превърнаха в куполообразни форми. В друга изследователите създадоха меки захващащи устройства, способни да се спускат върху предмети, да се стягат около тях, да ги повдигат и впоследствие да ги освобождават.

Изследователите твърдят, че тази технология в крайна сметка би могла да позволи създаването на адаптивни меки роботизирани захващащи устройства, активни филтри, биомедицински устройства, структури, реагиращи на температурата, и роботизирани системи с променяща се форма. Тъй като този подход е съвместим с 3D печатането, той отваря пътя към архитектури с висока степен на персонализация, които би било трудно да се изградят с конвенционални задвижващи механизми.

Все още обаче съществуват сериозни ограничения. В момента системата разчита на топлина за активиране, което означава, че времето за реакция и енергийната ефективност остават предизвикателства. Структурите също са все още експериментални и далеч не са готови да заменят традиционните роботизирани задвижващи механизми в приложения с висока мощност.

Снимка: Unsplash/Lewis Lab / Harvard SEAS

Виж още: Тази карта показва как е изглеждало преди 320 млн. години мястото, където живеете