В некоторых ситуациях биология все еще значительно превосходит любые искусственные технологии. Подумайте о мышцах. На самом деле они просто потрясающие. Они могут быстро сокращаться со значительной силой, а затем сразу же расслабляться. Они также могут плавно изменять силу сокращения в широком диапазоне. Кроме того, они мягкие и бесшумные. Ни один механизм не может сравниться с ними по функциональности.
Говоря инженерным языком, мышца – это приводной механизм, компонент, который приводит в движение часть механизма. Boston Dynamics добилась впечатляющих результатов, используя стандартные приводы, но даже движения их роботов, как правило, роботизированы – немного отрывистые и неестественные. Сравните это, например, с движениями jaguar. Инженеры уже много лет работают над созданием приводов, подобных мышечным, и добились определенного прогресса, но до окончательного успеха еще далеко.
Одно из свойств биологических мышц называется соотношением силы и скорости – чем быстрее сокращаются мышечные волокна, тем большую мощность они вырабатывают. Во-вторых, это соотношение силы и длины, по сути, чем длиннее мышца, тем большую мощность она создает. Как показывает недавнее исследование:
Однако, по-прежнему остается сложной задачей реализовать одновременно присущие мышце свойства силы-скорости и силы-длины в одном приводе.
В дополнение к этим свойствам, чтобы быть более похожими на мышцы, нам понадобился бы привод, который мог бы плавно изменять свою мощность, а также иметь мягкие компоненты. Существуют и другие важные свойства, такие как внутренняя реакция на нагрузку (реагирует ли система на нагрузку, сокращаясь), статическая сила (поддерживает нагрузку без перемещения) и прочность используемого материала (какую нагрузку она может выдержать). Таким образом, исследователи, по сути, пытались воспроизвести структуру и функции реальных мышц, чтобы достичь всех этих свойств. В вышеупомянутом исследовании, например:
В этом исследовании представлен биоинспирированный мягкий привод под названием HimiSK (в высшей степени имитирующий скелетную мышцу), разработанный путем пространственного размещения набора синергетически сокращающихся элементов в гибкой матрице, аналогичной скелетной мускулатуре. Мы продемонстрировали, что привод обладает как собственными характеристиками силы-скорости, так и характеристиками силы-длины, которые очень близки к биологическим мышцам с присущей им самостабильностью и устойчивостью к внешним воздействиям.
По сути, это искусственные мышцы. Однако эти системы все еще относительно слабы, что ограничивает их применение. В системе HimiSK используется материал, который меняет форму под воздействием внешних факторов. В более старой системе, приводе McKibben, используется пневматическое давление.
Еще одним подходом к созданию приводов, напоминающих мягкие мышцы, является электростатический привод. Они используют силу притяжения или отталкивания электростатического заряда (кулоновскую силу) для перемещения заряженного тела. Проблема этого подхода заключается в том, что для создания достаточной силы необходимо высокое напряжение. Опять же, эти системы, как правило, слабы и поэтому используются только для небольших объектов. Более высокие напряжения опасны и могут нанести вред системе и предметам, с которыми она взаимодействует. Цель исследователей – найти материал, который может создавать большую силу при более низких напряжениях. В недавнем исследовании сообщается, что именно это и происходит: снижение напряжения возбуждения электростатического привода и увеличение генерируемой силы с помощью спонтанной поляризации сегнетоэлектрических нематических жидких кристаллов.
Исследование было опубликовано профессором Сузуси Нисимурой и его командой из Токийского технологического института. Очевидно, что новшество заключается в переходе от параэлектрических материалов к сегнетоэлектрическим. Параэлектрический материал может иметь индуцированную электрическую поляризацию под действием внешнего электрического поля (точно так же, как парамагнитный материал становится магнитным под действием внешнего магнитного поля). Для сравнения, сегнетоэлектрический материал сохраняет свою поляризацию даже после снятия внешнего электрического поля. Это обеспечивает два преимущества для электростатических приводов. Первое заключается в том, что для увеличения поляризации с течением времени можно использовать более низкое напряжение, а не сразу подавать высоковольтное поле.
Во-вторых, испытываемый ферромагнитный материал имеет линейную зависимость от поляризации и результирующей генерируемой силы. Это соответствует одному из критериев, аналогичных мышечным, – плавному непрерывному изменению создаваемой силы. Кроме того, создаваемая сила в 1200 раз выше, чем при использовании параэлектрических материалов. В результате усадка материала составила 16% от первоначальной длины, что является еще одним важным фактором, определяющим, насколько большой объем движения может обеспечить привод определенного размера.
Еще предстоит выяснить, приведет ли этот прогресс к тому, что электростатические приводы станут лидером в сегменте приводов с мягкой мускулатурой. Хорошо, что существует множество параллельных исследовательских проектов, направленных на решение этой проблемы с использованием разных подходов. Мы посмотрим, какой из них преобладает, и будут ли все различные подходы иметь свое предпочтительное применение.
Конечная цель, однако, состоит в том, чтобы создать привод, похожий на мягкую мышцу, обладающий всеми свойствами живой мышцы, или даже лучше. Это все еще высокая планка. В дальнейшем будет найдено множество применений таких приводов. Однако, как только мы переступаем эту черту, у настоящих приводов, похожих на мышцы, появляется несколько специфических применений. Самое очевидное – это замена конечностей. Меня всегда забавляет, когда в научно-фантастических сериалах с очень похожего на человека робота-андроида снимают кожу, и под ней не видно ничего, кроме твердого металла. Даже на руке Люка Скайуокера были металлические приводы. Я знаю, что это клише из фильмов, язык, используемый для эффективного общения со зрителями. С первого взгляда они должны понять, что перед ними робот. Но это в высшей степени нереалистично. Продвинутые роботизированные конечности или полноценные андроиды почти наверняка будут иметь мягкие приводы, которые точно имитируют функции живых мышц. Такие искусственные мышцы позволят управлять ими, как человек, с помощью мягких частей, совместимых с окружающей средой. Они также будут относительно бесшумными, как живые мышцы, а не издавать характерный звук привода (как у дроида).
Мягкие приводы, похожие на мышцы, также помогут вывести роботов Boston Dynamic на новый уровень, действительно имитируя функции живых животных. Возможно, они будут использовать комбинацию традиционных и мягких приводов, чтобы обеспечить прочность в одних областях применения и изящество в других.
Еще одной важной особенностью применения мягких приводов является их энергоэффективность. Как долго встроенная батарея может питать конечность или всего робота? Эффективные мышцы будут иметь решающее значение для многих применений. Представьте себе полностью функциональную роботизированную протезную конечность, но заряда батареи хватает только на 20 минут. Сейчас роботизированная собака может работать от аккумулятора около 90 минут. Это хорошо, но может быть ограничивающим фактором для многих потенциальных применений.
Я считаю, что приводы, похожие на мягкие мускулы, являются одной из тех скрытых технологий – они развиваются незаметно, не привлекая особого внимания общественности. Но в какой-то момент технология перейдет черту, и внезапно они окажутся повсюду, открывая новые технологические возможности.
