Поздоровайтесь с роботами будущего: они достаточно мягкие и гибкие, чтобы отскакивать от стен или протискиваться в тесные пространства. И когда вы закончите с ними, вы можете бросить эти машины в мусорное ведро для компоста, чтобы разложиться.

Это видение команды инженеров, включая аспирантку CU Boulder Эллен Рамли. В статье, опубликованной в прошлом месяце в журнале Science Advances , исследователи описали свои разработки нового типа роботизированных приводов или «искусственных мышц». Приводы группы, которые работают, перемещая жидкость в мягких мешочках, могут управлять роботизированными руками и ногами с реалистичными движениями. Они также естественным образом растворяются в почве в течение нескольких месяцев, что делает их гораздо более устойчивыми, чем предыдущие модели.

«Вы можете избавиться от них в промышленном контейнере для компоста», — сказал Рамли, соавтор нового исследования и исследователь в Отделе машиностроения Пола М. Рэди в CU Boulder. «Мы надеемся, что проект вдохновит других инженеров на разработку робототехники с учетом принципов устойчивого развития».

Вспомните Baymax, мягкого робота из фильма «Большой герой 6», смешанного с биоразлагаемым пакетом для продуктов.

Проект возник в результате длительных усилий под руководством Кристофа Кеплингера, бывшего доцента кафедры машиностроения в Калифорнийском университете в Боулдере, а ныне директора Института интеллектуальных систем Макса Планка в Штутгарте, Германия. В 2018 году он и его коллеги представили линейку искусственных мышц, которые они назвали электростатическими приводами с гидравлическим усилением и самовосстановлением (HASEL). Подобно человеческим мышцам, эти актуаторы могут сгибать роботизированные руки, как бицепс, или сжимать когти и захваты.

Но чего они до сих пор не могли сделать, так это исчезнуть на свалке.

В новом исследовании команда разработала серию мягких роботизированных приводов, полностью изготовленных из экологически чистых материалов. Мышцы примерно так же универсальны, как и традиционные приводы HASEL, и в некоторых случаях могут сгибаться в течение 100 000 и более циклов без разрыва.

«Было особенно интересно, что мы получили систему материалов, которая полностью биоразлагаема и все еще может соответствовать ключевым показателям производительности приводов, изготовленных из небиоразлагаемых материалов», — сказал Кеплингер, соучредитель Artimus Robotics, компании, базирующейся в Боулдере. разрабатывает и продает приводы HASEL.

«Устойчивость новой системы материалов теперь открывает очень интересные возможности для приложений, требующих компонентов, предназначенных для одноразового или краткосрочного использования, например, в области обработки пищевых продуктов или медицинских приложений».

Искусственные мышцы для роботов

Собственные поиски Рамли другого типа роботов уходят в прошлое. Будучи ученицей старшей школы в Анкоридже, штат Аляска, Рамли состояла в клубе робототехники, где она научилась создавать роботов для соревнований FIRST Tech Challenge. Она никогда не могла смириться с неэлегантностью жестких роботов, сделанных из металла и пластика.

«Я чувствовал, что жесткость роботов была серьезным ограничивающим фактором их физических возможностей», — сказала Рамли, которая начала обучение в аспирантуре в Боулдере, а затем переехала в Германию в 2020 году, чтобы работать приглашенным исследователем в лаборатории Кеплингера. «Это особенно раздражало, когда вы видели человека, идущего рядом с роботом».

Однако мягкие роботы потенциально могут решить эти проблемы, сочетая достижения в области инженерии с мягкостью и гибкостью биологических организмов.

Приводы HASEL состоят из трансформаторного масла внутри пластиковых пакетов, которые частично покрыты тонким слоем электрического проводника. Если подать электричество на проводники, пакет «застегнется вместе», сказал Рамли, выдавливая жидкость из одного конца в другой. В результате мешочки меняют форму и могут воздействовать на такие устройства, как роботизированная конечность.

Кеплингер помог основать Artimus Robotics для коммерциализации приводов в 2018 году вместе с Тимом Моррисси, Эриком Акоме, Шейном Митчеллом и Ником Келларисом при поддержке Venture Partners в CU Boulder. Келларис, получивший докторскую степень в области материаловедения и инженерии в CU Boulder в 2020 году, также был соавтором новой статьи.

В новом исследовании Рамли и ее коллеги решили определить устойчивые компоненты, которые могли бы полностью заменить те ранние разработки.

«Мы искали идеальное сочетание совместимых материалов, которое позволило бы создать высокоэффективную биоразлагаемую мышцу», — сказала она.

В рамках систематических и обширных материаловедческих исследований Рамли и ее коллеги протестировали различные биоразлагаемые кандидаты на замену пластиковых пакетов в их приводах. Один хороший вариант, биоразлагаемая полиэфирная смесь, обычно используется в сумках для покупок и даже имеет штамп с изображением моркови.

Окончательные конструкции искусственных мышц, разработанные командой, могут подниматься почти так же, как и обычные приводы HASEL, и разлагаются в компостном цехе примерно через 6 месяцев.

Роботы будущего

Рамли, получившая в 2020 году стипендию Национального научного фонда США для аспирантов, получит докторскую степень в Калифорнийском университете в Боулдере, но остаток своего времени проведет в качестве студента в Европе. Там она научилась немного говорить по-немецки и наслаждается международной жизнью, хотя иногда тоскует по широко открытым пейзажам Колорадо и Аляски.

«Я скучаю по реке и ловле лосося», — сказала она. «Это не большой в Германии».

Но инженер говорит, что быть частью команды исследователей, помогающих открыть новую эру робототехники, того стоит. Кеплингер, например, предположил, что приводы HASEL однажды смогут привести в действие «экзокостюмы» наподобие Железного человека, которые помогут парализованным людям ходить.

«Приложения действительно интересны, особенно для устройств, которые могут помочь людям с ограниченными физическими возможностями», — сказал Рамли. «Я заинтересован в разработке технологий, способных расширить возможности малообеспеченных слоев населения».