Moderní roboti toho dokážou hodně. Ale zároveň mají k lidské lehkosti a ladnosti pohybů daleko. A chyba je - nedokonalé umělé svaly. Tento problém se snaží vyřešit vědci z mnoha zemí. Článek bude věnován krátkému přehledu jejich úžasných vynálezů.
Polymerové svaly od singapurských vědců
Krok k většímu počtu humanoidních robotů nedávno učinili vynálezci z National University of Singapore. Dnes jsou těžké androidy poháněny hydraulickými systémy. Významnou nevýhodou druhého jmenovaného je nízká rychlost. Umělé svaly pro roboty, které představili singapurští vědci, umožňují kyborgům nejen zvedat předměty, které jsou 80krát těžší než jejich vlastní hmotnost, ale také to dělat stejně rychle jako člověk.
Inovativní design, který se natáhne pětkrát na délku, pomáhá robotům „obejít“dokonce i mravence, o kterých je známo, že dokážou unést předměty 20krát těžší, než je hmotnost jejich vlastního těla. Polymerní svaly mají následující výhody:
- flexibilita;
- úderná síla;
- elasticita;
- schopnost změnit svůj tvar během několika sekund;
- schopnost přeměnit kinetickou energii na elektrickou energii.
Vědci se tím však nezastaví – plánují vytvořit umělé svaly, které by robotovi umožnily zvednout břemeno 500krát těžší, než je on sám!
Objev z Harvardu – svaly z elektrod a elastomeru
Vynálezci, kteří pracují na School of Applied and Engineering Sciences na Harvard University, představili kvalitativně nové umělé svaly pro takzvané „měkké“roboty. Podle vědců není jejich duchovní dítě, skládající se z měkkého elastomeru a elektrod, které obsahují uhlíkové nanotrubičky, kvalitou horší než lidské svaly!
Všechny dnes existující roboty, jak již bylo zmíněno, jsou založeny na pohonech, jejichž mechanismem je hydraulika nebo pneumatika. Takové systémy jsou poháněny stlačeným vzduchem nebo reakcí chemikálií. To znemožňuje sestrojit robota, který by byl měkký a rychlý jako člověk. Vědci z Harvardu tento nedostatek odstranili vytvořením kvalitativně nové koncepce umělých svalů pro roboty.
Nový „sval“kyborga je vícevrstvá struktura, ve které elektrody z nanotrubic vytvořené v Clarkově laboratoři ovládají horní a spodní vrstvu pružných elastomerů, což je duchovní dítě vědců z Kalifornské univerzity. Takové svalyideální pro „měkké“androidy i laparoskopické nástroje v chirurgii.
Harvardští vědci se nezastavili u tohoto úžasného vynálezu. Jedním z jejich nejnovějších vylepšení je biorobot rejnoků. Jeho součástí jsou buňky srdečního svalu potkana, zlato a silikon.
Vynález Bauchmannovy skupiny: další typ umělého svalu založeného na uhlíkových nanotrubičkách
V roce 1999 v australském městě Kirchberg na 13. setkání Mezinárodní zimní školy o elektronických vlastnostech inovativních materiálů vědec Ray Bauchman, který pracuje ve společnosti Allied Signal a vede mezinárodní výzkumnou skupinu, vytvořil prezentace. Jeho příspěvek byl o vytváření umělých svalů.
Vývojáři vedení Rayem Bauchmanem si dokázali představit uhlíkové nanotrubice ve formě listů nanopapíru. Trubky v tomto vynálezu byly všemi možnými způsoby propleteny a vzájemně promíchány. Samotný nanopapír svým vzhledem připomínal obyčejný papír - dal se držet v rukou, nařezat na proužky a kousky.
Experiment skupiny byl na pohled velmi jednoduchý – vědci připevnili kousky nanopapíru na různé strany lepicí pásky a spustili tuto strukturu do slaného elektricky vodivého roztoku. Po zapnutí nízkonapěťové baterie se oba nanopásky protáhly, zejména ten, který byl připojen k zápornému pólu elektrické baterie; pak se papír zkroutil. Model umělého svalu fungoval.
Bauhman sám věří, že jeho vynález po kvalitativní modernizacivýrazně promění robotiku, protože takové uhlíkové svaly při flexi / prodloužení vytvářejí elektrický potenciál - produkují energii. Kromě toho jsou takové svaly třikrát silnější než lidské, mohou fungovat při extrémně vysokých a nízkých teplotách a ke své práci využívají nízký proud a napětí. Je docela možné jej použít pro protetiku lidských svalů.
University of Texas: umělé svaly vyrobené z vlasce a šicí nitě
Jednou z nejpozoruhodnějších je práce výzkumného týmu z University of Texas, která se nachází v Dallasu. Podařilo se jí získat model umělých svalů, svou silou a výkonem připomínající proudový motor – 7,1 hp/kg! Takové svaly jsou stokrát silnější a produktivnější než ty lidské. Ale nejúžasnější na tom je, že byly vyrobeny z primitivních materiálů - vysoce pevného polymerového vlasce a šicí nitě.
Výživou takového svalu je teplotní rozdíl. Zajišťuje ji šicí nit potažená tenkou vrstvou kovu. V budoucnu však mohou být svaly robotů poháněny změnami teploty jejich prostředí. Tuto vlastnost lze mimochodem použít na oblečení přizpůsobivé počasí a další podobná zařízení.
Pokud je polymer zkroucený v jednom směru, při zahřátí se prudce smrští a při ochlazení se rychle roztáhne, a pokud je zkroucený v opačném směru, bude zcela opačný. Taková jednoduchá konstrukce může například otáčet celkovým rotorem rychlostí 10 tisíc otáček/min. Navíc takovéumělé svaly z vlasce tím, že se dokážou stáhnout až na 50 % své původní délky (u člověka jen na 20 %). Navíc se vyznačují úžasnou výdrží - tento sval se "neunaví" ani po milionu opakování akce!
Z Texasu do Amuru
Objev vědců z Dallasu inspiroval mnoho vědců z celého světa. Pouze jedinému robotikovi se však podařilo úspěšně zopakovat svou zkušenost - Alexandru Nikolajevičovi Semochkinovi, vedoucímu laboratoře informačních technologií na Běloruské státní pedagogické univerzitě.
Zpočátku vynálezce trpělivě čekal na nové články ve Science o masovém provedení vynálezu amerických kolegů. Protože se tak nestalo, rozhodl se amurský vědec se svými stejně smýšlejícími lidmi zopakovat nádherný zážitek a vytvořit umělé svaly z měděného drátu a vlasce vlastníma rukama. Ale, bohužel, kopie nebyla životaschopná.
Inspirace ze Skolkovo
Návrat k téměř opuštěným experimentům Alexandra Semochkina přiměla náhoda – vědec se dostal na robotickou konferenci do Skolkova, kde se setkal s podobně smýšlejícím člověkem ze Zelenogradu, šéfem společnosti Neurobotics. Jak se ukázalo, inženýři této společnosti jsou také zaneprázdněni vytvářením svalů z rybářských vlasců, které jsou docela životaschopné.
Po návratu do vlasti se Alexandr Nikolajevič pustil do práce s novým elánem. Za měsíc a půl dokázal nejen sestavit funkční umělé svaly, ale také vytvořit stroj na jejich kroucení, který vytvořil cívky vlascepřísně opakovatelné.
Umělé svalstvo zvěstování
A. N. Semochkin potřebuje k vytvoření pěticentimetrového svalu několik metrů drátu a 20 cm obyčejného vlasce. Mimochodem, stroj na „výrobu“svalů na 3D tiskárně zkroutí sval za 10 minut. Poté je struktura umístěna do trouby vyhřáté na +180 stupňů Celsia na půl hodiny.
Takový sval můžete aktivovat pomocí elektrického proudu – stačí jeho zdroj připojit k drátu. V důsledku toho se začne zahřívat a přenášet své teplo na vlasec. Ten je natažený nebo stažený – v závislosti na typu svalu, který přístroj zkroutil.
Plány vynálezce
Novým projektem Alexandra Semochkina je „naučit“vytvořené svaly rychleji se vrátit do původního stavu. Tomu může pomoci rychlé ochlazení napájecího drátu – vědec naznačuje, že k takovému procesu pod vodou dojde rychleji. Po získání takového svalu se jeho prvním majitelem stane Iskanderus, antropomorfní robot Běloruské státní pedagogické univerzity.
Vědec svůj vynález neudrží v tajnosti – zveřejňuje videa na YouTube a také plánuje napsat článek s podrobnými instrukcemi pro vytvoření stroje, který stáčí svaly z vlasce a drátu.
Čas se nezastaví – umělé svaly, o kterých jsme vám řekli, se již používají v chirurgii endo- alaparoskopické operace. A v laboratoři "Disney" za jejich účasti sestavili fungující ruku.
