Маленький, мягкий и гибкий робот, способный ползать по завалам после землетрясения в поисках застрявших жертв или проникать внутрь человеческого тела, чтобы доставить лекарства, может показаться научной фантастикой, но международная группа под руководством исследователей из Университета штата Пенсильвания является пионером в создании таких адаптивных роботов, интегрируя гибкую электронику с магнитно-управляемым движением.

Мягкая робототехника, в отличие от традиционных жестких роботов, изготавливается из гибких материалов, которые имитируют движение живых организмов. Эта гибкость делает их идеальными для навигации в ограниченном пространстве, например, среди мусора в зоне бедствия или по сложным траекториям человеческого тела. Однако, по словам Хуанью «Ларри» Ченга, доцента кафедры инженерных наук и механики имени Джеймса Л. Хендерсона-младшего в Университете штата Пенсильвания, интеграция датчиков и электроники в эти гибкие системы представляет собой значительную проблему.

«Самой большой проблемой было сделать его умным», — сказал Ченг, соавтор исследования группы, опубликованного в Nano-Micro Letters. «Для большинства приложений мягкая робототехника была односторонней системой связи, то есть они полагались на внешнее управление для навигации в сложных средах. Нашей целью было интегрировать интеллектуальные датчики , чтобы эти роботы могли взаимодействовать с окружающей средой и работать с минимальным вмешательством человека».

Основным фактором, делающим этих роботов умнее, является интеграция гибкой электроники, которая обеспечивает реализацию их ключевых функций.

«Мы хотели разработать систему, в которой мягкая робототехника и гибкая электроника будут работать вместе без проблем», — сказал Ченг. «Традиционная электроника жесткая, что затрудняет интеграцию. Наше решение заключалось в том, чтобы распределить электронные компоненты таким образом, чтобы сохранить гибкость робота, поддерживая при этом надежную производительность».

Чэн и его команда сняли видео роботов в действии, запечатлев их динамическое поведение, когда они ползают и сворачиваются в шар, чтобы двигаться по простому маршруту. Роботы двигаются с помощью жестких магнитных материалов, встроенных в их гибкую структуру, что позволяет роботам предсказуемо реагировать на внешнее магнитное поле .

Регулируя силу и направление поля, исследователи могут контролировать движения роботов, такие как наклоны, скручивания или ползание, без бортового питания или физических соединений, таких как провода.

Главным препятствием при разработке этой технологии стала необходимость решить, как сделать так, чтобы гибкая электроника не мешала движению робота.

«Хотя мы и спроектировали электронику гибкой, ее жесткость все равно в сотни-тысячи раз больше, чем у мягкого роботизированного материала», — сказал Ченг. «Чтобы преодолеть это, мы распределили электронику по всей структуре, уменьшив ее влияние на движение».

Еще одной проблемой было блокирование нежелательных электрических помех, которые могут нарушить работу электронного устройства или системы. Эти помехи исходят от внешних источников, таких как другая электроника или беспроводные сигналы. Такие помехи могут затруднить движение и повлиять на работу датчика.

«Магнитные поля имеют решающее значение для управления движением, но они также могут нарушать электронные сигналы», — отметил Ченг. «Нам пришлось тщательно спроектировать электронную схему, чтобы минимизировать эти взаимодействия, гарантируя, что датчики останутся функциональными даже в присутствии сильных магнитных полей».

С минимизацией магнитных помех роботы могут управляться дистанционно с помощью электромагнитных полей или ручных магнитов, что ограничивает необходимое им вмешательство человека. Кроме того, встроенные датчики позволяют им автономно реагировать на сигналы окружающей среды. Например, в поисково-спасательных операциях они достаточно умны, чтобы ориентироваться среди мусора, обнаруживая тепло или препятствия. В медицинских приложениях они могут реагировать на изменения pH или давления, обеспечивая точную доставку лекарств или точный сбор образцов.

Следующим шагом команды Ченга станет совершенствование технологии для таких приложений, включая создание «роботизированной таблетки».

«Одно из самых интересных потенциальных применений — имплантируемые медицинские устройства », — сказал соавтор Сук-Вон Хван, доцент Высшей школы конвергентной науки и технологий Корейского университета. «Мы работаем над миниатюризацией системы, чтобы сделать ее пригодной для биомедицинского использования. Представьте себе небольшую роботизированную систему, которую можно проглотить как таблетку, перемещаться по желудочно-кишечному тракту и обнаруживать заболевания или доставлять лекарства именно туда, где они нужны».

По словам исследователей, такая технология может стать менее инвазивной альтернативой традиционным диагностическим процедурам, таким как биопсия, собирая данные непосредственно от пациента в режиме реального времени.

«Благодаря интегрированным датчикам эти роботы могут измерять уровень pH, выявлять отклонения и даже доставлять лекарства в точные места внутри тела», — пояснил Ченг. «Это означает меньше инвазивных операций и более целенаправленное лечение, что улучшает результаты лечения пациентов».

Чэн сказал, что он также предвидит будущее применение в лечении сосудов.

«Если мы сможем сделать этих роботов еще меньше, их можно будет вводить в кровеносные сосуды для лечения сердечно-сосудистых заболеваний или доставлять лекарства непосредственно в пораженные участки», — сказал Чэн. «Это откроет совершенно новые возможности для неинвазивного лечения».

Хотя команда пока не дала этим роботам официального названия, Чэн сказал, что они открыты для предложений.