Nowoczesne roboty potrafią wiele. Ale jednocześnie są dalekie od ludzkiej łatwości i gracji ruchów. A wina jest taka - niedoskonałe sztuczne mięśnie. Naukowcy z wielu krajów próbują rozwiązać ten problem. Artykuł poświęcony będzie krótkiemu przeglądowi ich niesamowitych wynalazków.
Mięśnie polimerowe od singapurskich naukowców
Krok w kierunku bardziej humanoidalnych robotów zrobili niedawno wynalazcy z National University of Singapore. Dziś ciężkie androidy są zasilane przez systemy hydrauliczne. Istotną wadą tego ostatniego jest niska prędkość. Sztuczne mięśnie robotów, zaprezentowane przez singapurskich naukowców, pozwalają cyborgom nie tylko podnosić przedmioty 80-krotnie cięższe od ich własnej wagi, ale także robić to tak szybko, jak człowiek.
Innowacyjna konstrukcja, która rozciąga się pięciokrotnie, pomaga robotom „omijać” nawet mrówki, o których wiadomo, że są w stanie przenosić przedmioty 20 razy cięższe niż ich własne ciało. Mięśnie polimerowe mają następujące zalety:
- elastyczność;
- siła uderzenia;
- elastyczność;
- możliwość zmiany kształtu w kilka sekund;
- zdolność do przekształcania energii kinetycznej w energię elektryczną.
Jednak naukowcy nie zamierzają na tym poprzestać - planują stworzyć sztuczne mięśnie, które pozwolą robotowi podnieść ładunek 500 razy cięższy niż on sam!
Odkrycie z Harvardu - mięśnie z elektrod i elastomeru
Wynalazcy, którzy pracują w School of Applied and Engineering Sciences na Uniwersytecie Harvarda, zaprezentowali jakościowo nowe sztuczne mięśnie dla tak zwanych „miękkich” robotów. Według naukowców, ich pomysł, składający się z miękkiego elastomeru i elektrod, które zawierają nanorurki węglowe, nie jest gorszej jakości od ludzkich mięśni!
Wszystkie roboty, które obecnie istnieją, jak już wspomniano, oparte są na napędach, których mechanizmem jest hydraulika lub pneumatyka. Takie systemy są zasilane sprężonym powietrzem lub reakcją chemiczną. Uniemożliwia to skonstruowanie robota tak miękkiego i szybkiego jak człowiek. Naukowcy z Harvardu wyeliminowali tę wadę, tworząc jakościowo nową koncepcję sztucznych mięśni dla robotów.
Nowy „mięsień” cyborga to wielowarstwowa struktura, w której nanorurki stworzone w laboratorium Clarka kontrolują górną i dolną warstwę elastycznych elastomerów, pomysł naukowców z Uniwersytetu Kalifornijskiego. Takie mięśnieidealny zarówno dla "miękkich" androidów, jak i instrumentów laparoskopowych w chirurgii.
Harwardzi naukowcy nie poprzestali na tym wspaniałym wynalazku. Jednym z ich najnowszych osiągnięć jest biorobot płaszczka. Jego składnikami są komórki mięśnia sercowego szczura, złoto i silikon.
Wynalezienie grupy Bauchmann: inny rodzaj sztucznego mięśnia na bazie nanorurek węglowych
W 1999 roku w australijskim mieście Kirchberg na 13. spotkaniu Międzynarodowej Szkoły Zimowej nt. Elektronicznych Właściwości Innowacyjnych Materiałów naukowiec Ray Bauchman, który pracuje w Allied Signal i kieruje międzynarodową grupą badawczą, dokonał prezentacja. Jego post dotyczył tworzenia sztucznych mięśni.
Deweloperzy kierowani przez Raya Bauchmana byli w stanie wyobrazić sobie nanorurki węglowe w postaci arkuszy nanopapieru. Rury w tym wynalazku były w każdy możliwy sposób splecione i pomieszane ze sobą. Sam nanopapier wyglądem przypominał zwykły papier - można go było trzymać w dłoniach, ciąć na paski i kawałki.
Eksperyment grupy był bardzo prosty z wyglądu - naukowcy przymocowali kawałki nanopapieru do różnych stron taśmy samoprzylepnej i opuścili tę strukturę w słony roztwór przewodzący prąd elektryczny. Po włączeniu akumulatora niskonapięciowego oba nanopaski wydłużały się, zwłaszcza ta podłączona do ujemnego bieguna akumulatora elektrycznego; potem papier zwinął się. Działał model sztucznego mięśnia.
Sam Bauhman uważa, że jego wynalazek po jakościowej modernizacjiznacząco odmieni robotykę, ponieważ takie mięśnie węglowe, napinane/rozciągane, wytwarzają potencjał elektryczny – wytwarzają energię. Ponadto takie mięśnie są trzykrotnie silniejsze od człowieka, mogą funkcjonować w ekstremalnie wysokich i niskich temperaturach, wykorzystując do swojej pracy niski prąd i napięcie. Całkiem możliwe jest zastosowanie go do protetyki mięśni ludzkich.
University of Texas: sztuczne mięśnie wykonane z żyłki wędkarskiej i nici do szycia
Jedną z najbardziej uderzających jest praca zespołu badawczego z University of Texas, który znajduje się w Dallas. Udało jej się uzyskać model sztucznych mięśni, przypominający swoją siłą i mocą silnik odrzutowy – 7,1 KM/kg! Takie mięśnie są setki razy silniejsze i wydajniejsze niż ludzkie. Ale najbardziej niesamowite jest to, że zostały zbudowane z prymitywnych materiałów - bardzo wytrzymałej polimerowej żyłki wędkarskiej i nici do szycia.
Odżywianie takiego mięśnia to różnica temperatur. Zapewnia go nić do szycia pokryta cienką warstwą metalu. Jednak w przyszłości mięśnie robotów mogą być napędzane zmianami temperatury otoczenia. Nawiasem mówiąc, ta właściwość może być z powodzeniem stosowana do odzieży dostosowującej się do pogody i innych podobnych urządzeń.
Jeżeli polimer jest skręcony w jednym kierunku, skurczy się gwałtownie po podgrzaniu i szybko rozciągnie się po schłodzeniu, a jeśli zostanie skręcony w przeciwnym kierunku, będzie zupełnie odwrotnie. Tak prosta konstrukcja może np. obracać cały wirnik z prędkością 10 tys. obrotów/min. Plus takiesztuczne mięśnie z żyłki, które są w stanie skurczyć do 50% ich pierwotnej długości (człowiek tylko o 20%). Dodatkowo wyróżnia je niesamowita wytrzymałość – ten mięsień nie „męczy się” nawet po milionie powtórzeń akcji!
Z Teksasu do Amur
Odkrycie naukowców z Dallas zainspirowało wielu naukowców z całego świata. Jednak tylko jednemu robotnikowi udało się z powodzeniem powtórzyć swoje doświadczenie – Aleksandrowi Nikołajewiczowi Siemoczkonowi, kierownikowi laboratorium informatycznego na Białoruskim Państwowym Uniwersytecie Pedagogicznym.
Najpierw wynalazca cierpliwie czekał na nowe artykuły w Science o masowym wdrażaniu wynalazku amerykańskich kolegów. Ponieważ tak się nie stało, naukowiec z Amuru postanowił wraz ze swoimi podobnie myślącymi ludźmi powtórzyć wspaniałe doświadczenie i stworzyć sztuczne mięśnie z drutu miedzianego i żyłki własnymi rękami. Ale niestety kopia nie była opłacalna.
Inspiracja od Skołkowa
Powrót do prawie porzuconych eksperymentów Aleksander Semoczkin został zmuszony przez przypadek – naukowiec trafił na konferencję robotyczną w Skołkowie, gdzie spotkał podobnie myślącą osobę z Zelenogradu, szefa firmy Neurobotics. Jak się okazało, inżynierowie tej firmy są również zajęci tworzeniem mięśni z żyłek wędkarskich, które są całkiem opłacalne.
Wracając do ojczyzny, Aleksander Nikołajewicz zabrał się do pracy z odnowionym wigorem. W półtora miesiąca był w stanie nie tylko złożyć nadające się do pracy sztuczne mięśnie, ale także stworzyć maszynę do ich skręcania, która robiła zwoje żyłkiściśle powtarzalny.
Sztuczna muskulatura zwiastowania
Aby stworzyć pięciocentymetrowy mięsień, A. N. Semochkin potrzebuje kilku metrów drutu i 20 cm zwykłej żyłki. Nawiasem mówiąc, wydrukowana w 3D maszyna do „produkcji” mięśni skręca mięsień w 10 minut. Następnie konstrukcję umieszcza się w piekarniku rozgrzanym do +180 stopni Celsjusza na pół godziny.
Możesz aktywować taki mięsień za pomocą prądu elektrycznego - wystarczy podłączyć jego źródło do przewodu. W rezultacie zaczyna się nagrzewać i przenosić ciepło na żyłkę. Ten ostatni jest rozciągany lub napinany – w zależności od rodzaju mięśnia, który skręcił urządzenie.
Plany wynalazcy
Nowy projekt Aleksandra Semochkina ma na celu „nauczenie” stworzonych mięśni szybszego powrotu do pierwotnego stanu. Pomóc w tym może szybkie ochłodzenie przewodu zasilającego – naukowiec sugeruje, że taki proces będzie przebiegał szybciej pod wodą. Po uzyskaniu takiego mięśnia pierwszym właścicielem zostanie Iskanderus, antropomorficzny robot Białoruskiego Państwowego Uniwersytetu Pedagogicznego.
Naukowiec nie trzyma swojego wynalazku w tajemnicy - zamieszcza filmy na YouTube, a także planuje napisać artykuł ze szczegółowymi instrukcjami tworzenia maszyny skręcającej mięśnie z żyłki i drutu.
Czas nie stoi w miejscu – sztuczne mięśnie, o których mówiliśmy, są już wykorzystywane w chirurgii endo- ioperacje laparoskopowe. A w laboratorium „Disney” z ich udziałem zebrali działającą rękę.
