Мягкая робототехника: новое поколение искусственных мышц

В противовес образу бездушных металлических машин из научной фантастики, в Технологическом институте Джорджии разрабатывается новое поколение робототехники — мягкой, интеллектуальной и ориентированной на человека.

По словам Хонга Йео, профессора Джорджийского технологического университета, в то время как популярная культура представляет роботов как громоздкие, жесткие конструкции, подобные Терминатору, его команда создает полную противоположность: искусственные мышцы, отличающиеся мягкостью, гибкостью и высокой отзывчивостью, приближенные к свойствам человеческих тканей.

Исследование, опубликованное в журнале Materials Horizons, сосредоточено на разработке ИИ-управляемых мышц, изготовленных из биоподобных материалов и интегрированных с интеллектуальными системами управления. Эта технология способна обучаться на основе данных тела и адаптироваться в режиме реального времени, обеспечивая естественность, отклик и безопасность движений, что особенно важно для реабилитации.

Традиционная робототехника полагается на металл, провода и двигатели, но редко способна точно воспроизвести нюансы человеческих движений. Йео же использует иерархически структурированные волокна — многослойные гибкие материалы, имитирующие строение мышц и сухожилий. Эти материалы обладают сенсорными возможностями, способны к адаптации и даже «запоминают» предыдущие движения.

Алгоритмы машинного обучения используются для точной настройки податливых материалов, позволяя им регулировать силу или гибкость в зависимости от задачи. «Эти мышцы не просто реагируют на команды, — поясняет Йео. — Они учатся на опыте, адаптируются и самокорректируются, делая движения более плавными и естественными».

Результаты этих исследований имеют огромное значение для людей, восстанавливающихся после инсульта или потери конечностей, поскольку каждое целенаправленное движение способствует не только восстановлению силы, но и возвращению уверенности, независимости и самоощущения.

Одним из первых практических применений стала протезная перчатка, оснащенная искусственными мышцами, которая в статье, опубликованной в ACS Nano, описывается как «помогающая рука», а не просто механический инструмент. В отличие от традиционных протезов с жесткими моторами и предопределенными движениями, разработка Йео имитирует естественное сокращение и расслабление настоящих мышц.

Внутри перчатки тонкие слои эластичных волокон и сенсоров сокращаются, скручиваются и сгибаются в унисон с намерениями пользователя. Это позволяет перчатке точно регулировать силу захвата, уменьшать тремор и мгновенно реагировать на движения, возвращая ловкость в повседневную жизнь. Такая точность имеет решающее значение для выполнения мелких задач, таких как застегивание пуговицы, подъем стакана или держание руки ребенка.

«Это не просто движения, — говорит Йео. — Это возвращение свободы».

Именно идея восстановления свободы через движение является движущей силой исследований Йео с самого начала.

Путь в биомедицинскую инженерию был продиктован личной трагедией — внезапной смертью отца, когда Йео еще учился в колледже. Это событие изменило его жизненные приоритеты, сместив фокус с проектирования машин на создание технологий, способных исцелять. «Изначально я думал о дизайне автомобилей, — признается он. — Но после смерти отца я словно прозрел. Возможно, я могу делать что-то, что поможет спасти чью-то жизнь».

Эта цель продолжает направлять работу его лаборатории, создавая технологии, помогающие людям восстановить утраченное.

Однако реализация этого видения сопряжена с решением сложнейших инженерных задач.

Создание биоподобных мышц — непростая задача. Они должны быть одновременно мягкими и прочными, отзывчивыми и безопасными, а также не вызывать иммунного ответа организма. Это требует разработки материалов, способных выживать внутри тела и интегрироваться с ним.

«Мы всегда думаем не только о функции, но и об адаптивности, — подчеркивает Йео. — Если устройство будет частью тела человека, оно должно работать с ним, а не против него».

Команда Йео калибрует эти синтетические волокна с прецизионной точностью, тестируя, настраивая и доводя их до синхронизации с естественными движениями тела. Со временем они приобретают своего рода «мышечную память», гибко адаптируясь к меняющимся условиям. Эта динамическая адаптивность, по словам Йео, отличает обычную машину от протеза, который действительно ощущается живым.

Решение таких комплексных проблем требует междисциплинарного подхода. Лаборатория Йео объединяет специалистов в области машиностроения, материаловедения, медицины и компьютерных наук для создания более интеллектуальных и безопасных устройств. «Невозможно решить такую проблему в одиночку, — говорит он. — Нам нужны все эти области — полимеры, искусственный интеллект, биомеханика — работающие вместе».

В настоящее время его команда тесно сотрудничает с медицинскими работниками и отраслевыми партнерами, чтобы вывести свои разработки из лаборатории в жизнь пациентов.

Будущее робототехники, по мнению Йео, будет определяться не мощностью или сложностью, а ощущениями. «Если это кажется чужим, люди не будут этим пользоваться, — говорит он. — Но если это ощущается как часть вас, вот тогда это действительно может изменить жизнь».

Это полная противоположность «Терминатору», где машины заменяют нас. Йео создает машины, которые помогают нам вернуть самих себя.