Вчені Гарварду надрукували на 3D-принтері штучні м’язи для роботів

Інженери зі Школи інженерії та прикладних наук імені Джона Полсона Гарвардського університету розробили спосіб створення штучних м’язоподібних волокон за допомогою 3D-друку. Головна особливість технології — рух запрограмований безпосередньо в самому матеріалі, без зовнішніх моторів чи механічних систем.

М’язи завжди були одним із найскладніших елементів для відтворення в робототехніці. Людський м’яз здатний одночасно ніжно вести пензлем по полотну і вибивати двері ногою — такий діапазон контролю є справжнім інженерним викликом. Попередні рішення — пневматичні штучні м’язи, термочутливі метали, електроактивні полімери чи кабельні системи — демонстрували непогані результати, але кожне з них мало суттєві недоліки: громіздке допоміжне обладнання, висока напруга, надмірне тепловиділення або складність виробництва.

Нова система гарвардських дослідників поєднує два типи м’яких матеріалів: «активний» рідкокристалічний еластомер, який змінює форму під дією тепла, та «пасивний» еластомер, що чинить опір деформації. Обидва матеріали подаються одночасно через обертову насадку принтера, що дозволяє точно задавати поведінку кожної ділянки волокна.

Коли активний матеріал нагрівається, він скорочується у певному молекулярному напрямку. Пасивний матеріал протидіє цьому скороченню, і саме ця невідповідність змушує волокно згинатися, скручуватися, звиватися або стискатися. Обертання насадки під час друку додає ще один рівень контролю — у структуру вбудовуються спіральні молекулярні патерни. Таким чином одне волокно можна запрограмувати на випрямлення, спіралізацію, стиснення чи розширення — залежно від внутрішньої структури матеріалу.

У демонстраційних експериментах дослідники надрукували м’які решітки та хвилясті волокна, які під дією тепла деформувалися принципово по-різному: одні структури розширювалися, інші — стискалися, а плоскі решітки перетворювалися на куполоподібні форми. Окремо були створені м’які захвати, здатні опускатися на об’єкт, обхоплювати його, піднімати й відпускати.

За словами розробників, технологія відкриває перспективи для адаптивних м’яких роботизованих маніпуляторів, біомедичних пристроїв, активних фільтрів і конструкцій, що змінюють форму залежно від температури. Сумісність із 3D-друком також дозволяє створювати складні індивідуальні архітектури, недосяжні для традиційних приводів.

Проте технологія поки що далека від практичного застосування у повному обсязі. Система активується виключно теплом, що створює обмеження щодо швидкості реакції та енергоефективності. Експериментальні структури не готові замінити традиційні приводи у високонавантажених застосуваннях — дослідження тривають.