Созданы самовосстанавливающиеся мышцы для роботов
В Университете Небраски в Линкольне разработали самовосстанавливающиеся мускулы для роботов. Изобретение представлено на престижной Международной конференции IEEE по робототехнике и автоматизации (ICRA) в Атланте, где вошло в число 39 финалистов премии ICRA 2025 Best Paper Award из 1606 представленных работ.
По словам Эрика Марквицки с кафедры биомедицинской инженерии, в робототехнике активно развиваются два направления: переход на мягкие материалы и биомимикрия.
«Хотя мы уже можем создавать растяжимую электронику и мягкие, адаптивные приводы, они часто не копируют биологическую способность реагировать на повреждения и запускать самовосстановление», — добавил он.
Удивительная способность живых организмов
Команда инженеров разработала интеллектуальную самовосстанавливающуюся искусственную мышцу с многослойной архитектурой, которая позволяет системе обнаруживать и локализовывать повреждения, а затем запускать механизм самовосстановления — все без внешнего вмешательства.
«Человеческое тело и животные удивительны. Мы можем порезаться, получить ушиб или даже серьезные травмы. И в большинстве случаев, с минимальным внешним вмешательством вроде повязок или лекарств, мы способны самостоятельно заживить многие повреждения, — сказал Марквицка. — Если бы мы смогли воспроизвести это в синтетических системах, это действительно изменило бы сферу и наш подход к электронике и машинам».
«Мышца» — или привод, часть робота, преобразующая энергию в движение — состоит из трех слоев. Нижний слой (слой обнаружения повреждений) — это мягкая электронная кожа, состоящая из микрокапель жидкого металла, встроенных в силиконовый эластомер. Она прикреплена к среднему слою — самовосстанавливающемуся компоненту из жесткого термопластичного эластомера. Сверху находится активирующийся слой, который запускает движение мышцы при подаче воды под давлением.
Процесс начинается с подачи пяти контрольных токов через нижний «кожный» слой мышцы, подключенный к микроконтроллеру и сенсорной схеме. Повреждение от прокола или давления в этом слое приводит к образованию электрической сети между проводящими путями. Система распознает признак повреждения и увеличивает ток в новой сети.
Участок сети превращается в локальный электронагреватель, преобразующий ток в тепло вокруг поврежденной области. Через несколько минут это тепло плавит и перерабатывает средний термопластичный слой, который герметизирует повреждение — эффективно «заживляя» его.
Побочный эффект — во благо
Последний шаг — возврат системы в исходное состояние путем «стирания» электрического следа повреждения в нижнем слое. Для этого изобретатели приспособили эффект электромиграции — процесса, при котором электрический ток вызывает перемещение атомов металла. Обычно это явление считается проблемой в металлических цепях, так как движущиеся атомы деформируют материал, приводя к разрывам цепи и отказу устройств.
Такой остроумный ход позволил решить долго казавшуюся непреодолимой проблему стабильности электрических сетей, образующихся при повреждении. Без возможности сбросить контрольные токи система не могла выполнить более одного цикла повреждения и восстановления.
Исследователи предположили, что электромиграция — с ее способностью физически разделять ионы металла и вызывать разрыв цепи — может стать ключом к «стиранию» новых проводящих путей. Стратегия сработала: дальнейшее увеличение тока вызывает электромиграцию и термический разрыв, что восстанавливает исходную сеть детектирования повреждений.
«Электромиграция обычно считается огромным недостатком. Это один из факторов, препятствующих миниатюризации электроники. Но мы здесь применили ее уникальным и очень полезным способом. Вместо того чтобы предотвращать, мы впервые используем ее для удаления следов, которые раньше считались постоянными», — пояснил Марквицка.
На пользу экологии
Автономные самовосстанавливающиеся технологии могут революционизировать множество отраслей. В сельскохозяйственных штатах, таких как Небраска, они могут помочь робототехническим системам, часто сталкивающимся с острыми предметами — ветками, шипами, пластиком и стеклом. Они также могут изменить носимые устройства для мониторинга здоровья, которые должны выдерживать ежедневные нагрузки.
Эта технология принесет пользу и обществу в целом. Срок службы большинства потребительских электронных устройств составляет всего один-два года, что приводит к образованию миллиардов тонн электронных отходов, которые содержат свинец, ртуть и прочие токсины, угрожающие здоровью людей и окружающей среде. Самовосстанавливающиеся технологии помогут сократить этот поток.
«Если мы сможем создавать материалы, способные автономно обнаруживать повреждения и запускать механизмы самовосстановления, это действительно станет прорывом», — заключил Марквицка.
