Ученые создали искусственные мускулы для роботов

Мягкие роботы отличаются от обычных “твердых” некоторыми уникальными возможностями, связанными с особенностями их строения, но в большинстве случаев они не могут похвастаться скоростью их движений. Искусственные мускулы, которые приводят их в действие, основаны на использовании пневматических или гидравлических элементов, обладающих явно недостаточной скоростью реакции. Мягкие материалы из разряда диэлектрических эластомеров являются альтернативой механическим приводам. Однако, их использование требует применения сложной электроники, генерирующей высокое напряжение, в состав которой входят большие и твердые компоненты, нарушающие всю концепцию мягкой робототехники.

Исследователи из Школы Технических и прикладных наук Джона А. Полсона (School of Engineering and Applied Sciences, SEAS) Гарвардского университета разработал новый материал из класса диэлектрических эластомеров, который при низком управляющем напряжении обеспечивает движение в достаточно широком диапазоне, не требуя при этом необходимости использования твердых электронных компонентов.

“Мы считаем, что новый материал может стать палочкой-выручалочкой области мягкой робототехники” – рассказывает Мишу Дудута (Mishu Duduta), ведущий исследователь, – “Электричество легко хранить и им легко управлять. Но электрические потенциалы, необходимые ранее для срабатывания искусственных мускулов из полимерных материалов, имеют высокий потенциал, во много раз превышающий предел допустимой безопасности, эффективности и целесообразности”.

Новый материал для искусственных мускулов является объединением двух различных материалов. Первым материалом является эластомер, разработанный учеными из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе. А вторым материалом является сетка из углеродных нанотрубок, играющая роль электрода. Совмещение всех положительных свойств этих двух материалов позволило получить материал, значительно выигрывающий по всем показателям у искусственных мускулов на основе других полимеров и эластомеров.

Большинство диэлектрических эластомеров имеет весьма ограниченный диапазон движения. Помимо этого, такой материал должен быть растянут и приложен к основанию из более твердого материала. Новый эластомер в исходном состоянии является жидким. Он полимеризуется под воздействием ультрафиолетового света, превращаясь в тонкую пленку с чрезвычайно липкой поверхностью, что позволяет слоям материала хорошо сцепляться друг с другом и со слоями нанотрубочных электродов.

Искусственные мускулы из новых материалов представляют собой многослойную структуру, в которой слои эластомера чередуются со слоями нанотрубочных электродов. Такая структура обеспечивает высокую эффективность работы материала, ведь каждый из слоев-электродов приводит в действие два слоя эластомера, сверху и снизу его. А малая толщина диэлектрических слоев обеспечивает то, что для сокращения эластомера требуется воздействие электрического поля совсем небольшого потенциала.

Такие искусственные мускулы могут использоваться почти везде в области робототехники, в миниатюрных электронных устройствах, в автоматизированном медицинском оборудовании, включая и роботов-хирургов.

“Обеспечение движения – одна из самых сложных проблем в робототехнике” – рассказывает Мишу Дудута, – “В большинстве существующих роботов используются пневматические и гидравлические привода, обычные или шаговые электрические двигатели. Однако, у мягких роботов имеется еще меньший выбор. Наш новый материал позволит решить все эти проблемы, открывая путь для резкого рывка развития мягкой робототехники”.