Прорыв в робототехнике: создано искусственное мышечное волокно, превосходящее человеческое

Южнокорейские инженеры совершили прорыв в области мягкой робототехники, создав искусственную мышцу, способную поднимать вес, в тысячи раз превышающий её собственный. Это достижение открывает новые горизонты для создания человекоподобных роботов следующего поколения.

Ключевым новшеством разработки является уникальная способность материала становиться гибким или жестким по требованию, что ранее не удавалось реализовать в подобных системах. Подробности исследования были опубликованы 7 сентября в журнале Advanced Functional Materials.

«Наша работа преодолевает фундаментальное ограничение, при котором традиционные искусственные мышцы были либо очень эластичными, но слабыми, либо сильными, но жесткими, — заявил ведущий автор исследования, профессор механической инженерии Ульсанского национального института науки и технологий (UNIST) Хун Ый Чжон. — Наш композитный материал сочетает в себе оба качества, открывая дорогу для более универсальных мягких роботов, носимых устройств и интуитивных человеко-машинных интерфейсов».

Главной проблемой искусственных мышц до сих пор был компромисс между гибкостью и силой. Для эффективной работы они должны быть растяжимыми, но при этом обеспечивать высокую выходную энергию, в противном случае их «рабочая плотность» — количество энергии, которое материал может выделить на единицу объема, — остается низкой. Новый материал решает эту задачу.

Как устроена искусственная мышца?

Ученые описали свою разработку как «высокопроизводительный магнитный композитный актюатор». По сути, это сложная химическая комбинация полимеров, которые, связываясь друг с другом, имитируют сокращение и расслабление настоящих мышц.

В основе конструкции лежат две независимые сети сшивки (поперечных связей). Первая — это прочная ковалентная химическая сеть (где атомы делятся электронами), обеспечивающая структурную целостность. Вторая — обратимая физическая сеть, которая отвечает за гибкость. Такая архитектура обеспечивает материалу долговечность.

Магнитные микрочастицы (NdFeB), внедренные в полимерную матрицу и обработанные специальным составом, позволяют управлять жесткостью мышцы дистанционно, с помощью магнитного поля. Это и есть «переключатель», который делает материал жестким под нагрузкой и эластичным, когда ему нужно сократиться.

Невероятные результаты испытаний

В ходе испытаний искусственная мышца весом всего 1,13 грамма продемонстрировала феноменальную силу, подняв груз массой 5 килограммов — это примерно в 4400 раз больше её собственного веса.

Но сила — не единственное её преимущество. Если человеческая мышца сокращается с деформацией около 40%, то синтетический аналог достиг показателя в 86,4%, что более чем в два раза выше. Это позволило достичь рекордной рабочей плотности в 1150 килоджоулей на кубический метр, что в 30 раз превышает возможности человеческой мышечной ткани.

Прочность материала была проверена с помощью одноосного теста на растяжение — стандартного механического испытания, при котором образец растягивают до разрыва, измеряя его удлинение и приложенное усилие.

Будущее применение

Это открытие знаменует собой значительный скачок в развитии мягкой робототехники. Подобные мышцы могут быть использованы не только в человекоподобных роботах, но и в создании:

• Высокоточных медицинских имплантатов и экзоскелетов нового поколения.

• Продвинутых носимых устройств, способных усиливать физические возможности человека.

• Сложных манипуляторов для работы в опасных условиях, например, в зонах ликвидации аварий или в космосе.

Способность материала адаптировать свою жесткость под задачу делает его интеллектуальной системой, которая может совершать как мощные, так и хрупкие, точные движения, что критически важно для выполнения реальных задач в изменчивой среде.