Он весит чуть больше монеты – 1,25 грамма. Но когда его просят что-то поднять, этот крошечный кусочек полимера делает то, что не под силу ни одной человеческой мышце: он выдерживает 5 килограммов. в 4000 раз больше его веса. Это не цирковой трюк. Это результат многолетних исследований умных материалов, которые меняют состояние, словно обладают личностью. Мягкие, когда нужна гибкость, жёсткие, когда нужно выдерживать нагрузку. Немного похоже на коллегу, который просыпается только тогда, когда ему нужно сломать спину. Только этот коллега — магнитный актуатор, разработанный…Университет UNIST в Южной Корее, и это может изменить наше представление о роботах, протезах и носимых устройствах.
Проблема с мягкими приводами: либо сильные, либо гибкие
Искусственные мышцы всегда были вопросом компромисса. Вы можете иметь мягкий и адаптивный материал, идеально подходящий для взаимодействия с людьми, не причиняя им вреда, или жесткий и мощный привод, способный поднимать тяжелые грузы.Но никогда и то, и другое одновременно. Это классическая проблема мягкой робототехники: гибкие материалы разрушаются под нагрузкой, жёсткие не адаптируются к сложным условиям. Хун Ый ЧжонПрофессор машиностроения в Университете штата Нью-Йорк (UNIST) решил нарушить это шаткое равновесие. Его команда опубликовала результаты в Расширенные функциональные материалы, доказывая, что можно усидеть на двух стульях одновременно. Или, скорее, это мышца, которая становится резиновой, когда нужно, и стальной, когда это необходимо.
Секрет кроется в полимере с двойной решеткой. Это не совсем новая концепция, но здесь она реализована с элегантностью, которая и имеет решающее значение. Материал использует химические ковалентные связи для несущей конструкции – те, которые гарантируют механическую прочность, и термочувствительные физические взаимодействия для гибкости. Они формируются и разрушаются в зависимости от температуры, позволяя мышцам смягчаться или сокращаться по команде. Добавьте к обработанной поверхности магнитные микрочастицы, и вы получите актуатор, реагирующий на внешние магнитные поля с точностью до миллиметра.
В напряженном состоянии эта мышца весом 1,25 грамма поддерживает 5 килограммовВ размягченном состоянии он растягивается до 12 раз своей первоначальной длины. При сокращении он поднимает грузы, деформируя86,4%., что более чем вдвое превышает примерно 40% мышц человека. Плотность работы достигает 1150 кДж/м³, в 30 раз выше, чем у биологической мышечной ткани.
Как работает изменение жесткости
Секрет кроется в двухслойной полимерной сетке. Представьте себе конструкцию из стальных балок (ковалентные связи) и эластичных нитей (физические взаимодействия). На холоде нити становятся жёсткими, и всё становится твёрдым. В жару нити размягчаются, и конструкция может деформироваться. Только здесь речь идёт не о тепле и холоде, а о… контролируемые тепловые стимулы которые позволяют переключаться из одного состояния в другое за считанные мгновения. Магнитные микрочастицы делают всё остальное: они реагируют на внешние магнитные поля и позволяют управлять движением привода без физического контакта.
Преимущество этой системы в том, что она не требует тяжёлых аккумуляторов или громоздких кабелей. Она управляется дистанционно с помощью магнитов. Идеально подходит для случаев, когда вес и размер имеют значение: современное протезирование, роботизированные экзоскелеты, носимые устройстваПока рядом есть магнитное поле, актуатор реагирует. Нужно что-то поднять? Он становится жёстким. Нужно что-то согнуть? Он становится мягким. Как биологический переключатель, но без биологии.
Области применения: от человекоподобных роботов до протезов
Где же используется такая искусственная мышца? Там, где в одной системе требуется деликатное взаимодействие и грубая сила. коллаборативные роботы Коботы — главные кандидаты: они должны работать бок о бок с людьми, не причиняя им вреда, но при этом поднимать промышленные грузы. До сих пор это было невыполнимой задачей. С приводами различной жёсткости проблема переходит от материала к управлению: просто запрограммируйте, когда нужно сделать его жёстче, а когда — мягче.
Le роботизированные протезы являются еще одной очевидной областью. Как уже было показано на примере итальянских мышц GRACEАктуаторы, имитирующие работу биологических мышц, позволяют выполнять более естественные и точные движения. Но корейские модели идут дальше: они не просто имитируют, а превосходят. Роботизированная рука, оснащённая этими актуаторами, могла бы схватить хрустальный бокал, не разбив его, а затем поднять 20-килограммовый чемодан. Всё это с помощью того же набора «мышц».
Тогда есть носимые устройства для реабилитации. Экзоскелеты, помогающие людям с нарушениями опорно-двигательного аппарата, роботизированные костюмы для рабочих, поднимающих тяжёлые грузы, перчатки, усиливающие хват. Все эти области требуют гибкости, чтобы следовать движениям человека, и мощности, чтобы помогать при приложении усилий. Приводы UNIST могут сделать эти устройства легче, менее громоздкими и более энергоэффективными.
Цифры, которые имеют значение
Давайте проведём прямое сравнение. В среднем человеческая мышца сокращается примерно на 40%, развивает рабочую плотность около 40 кДж/м³ и может выдерживать нагрузки, примерно в 30 раз превышающие её собственный вес (в лучшем случае, при условии тренировки). Корейский актуатор сокращается на 86,4%, развивает рабочую плотность 1150 кДж/м³ и выдерживает вес, в 4000 раз превышающий её собственный вес. Это не постепенное улучшение, это смена парадигмы..
Профессор Чонг ясно говорит об этом в исследование опубликовано в сентябре 2025 годаЭто исследование преодолевает фундаментальное ограничение, заключающееся в том, что традиционные искусственные мышцы были либо высокорастяжимыми, но слабыми, либо прочными, но жёсткими. Особенно важна плотность работы: она показывает, сколько энергии на единицу объёма может выработать мышца. Достижение высоких значений при сохранении высокой растяжимости всегда было сложной задачей. Это как пытаться создать резиновую ленту, которая одновременно является стальным прутом. Эти исследователи добились успеха.
Исследование финансировалось Национальный исследовательский фонд Кореи и представляет собой значительный шаг вперед в области мягкой робототехники. Разработанные приводы могут найти применение в ближайшие годы. роботы-гуманоиды, промышленные системы обработки e передовые медицинские устройства.
Актуаторы и мышцы 2.0: чего еще не хватает?
Конечно, не всё так просто. Лабораторные прототипы отлично работают в контролируемых условиях, но реальный мир гораздо сложнее. Как долго эти приводы служат при повторяющихся нагрузках? Как они справляются с экстремальными температурами, влажностью и вибрациями? И, самое главное: сколько стоит их производство в промышленных масштабах? Исследование не рассматривает эти детали, но эти вопросы вскоре возникнут.
Затем возникает проблема управления. Изменение жёсткости полезно, но требует сложной системы управления, которая бы определяла, когда это делать. Например, у шагающего робота каждая нога должна напрягаться и размягчаться десятки раз в секунду, синхронизируясь с остальными. Необходимы датчики, алгоритмы и обратная связь в режиме реального времени. Технология материалов уже готова. Технологии управления ещё предстоит развить.
Наконец, существует проблема стандартизации. Каждая лаборатория разрабатывает свой собственный актуатор, используя немного отличающиеся материалы и процессы. Необходимы общие стандарты, воспроизводимые испытания и общие метрики. В противном случае всё ограничится научными статьями, которые приятно читать, но бесполезны для тех, кто хочет построить настоящего робота.
Тем не менее, работа UNIST — важный шаг вперёд. Она не решает всех проблем мягкой робототехники, но решает одну из главных: компромисс между прочностью и гибкостью. А когда решается фундаментальная проблема, другие становятся проще. Или, по крайней мере, менее неразрешимыми. Что уже является достижением для научных исследований.
