Мягкая робототехника: новый подход к взаимодействию человека и машины

В 2024 году объем мирового рынка мягкой робототехники оценивался ^[1] в 1,89 млрд долларов, а к 2034 году ожидается, что эта цифра вырастет до 35,33 млрд при среднегодовом темпе роста (CAGR) 34,8 %. Как устроены гибкие машины и где их уже применяют, расскажем в этой статье.

Чем хороши мягкие роботы

Традиционные роботы плохо справляются с деликатной работой, вроде захвата хрупких объектов или взаимодействия с людьми. Например, жесткий каркас может травмировать человека при столкновении — поэтому действия роботов ограничены сложными алгоритмами, которые не дают им выйти за пределы контролируемой среды.

Мягкие машины действуют иначе. Они используют такие материалы, как силикон, резина и гидрогель, поэтому могут легко деформироваться и приспосабливаться к окружению, например:

• Работать с неровными поверхностями. Мягкие захваты подстраиваются под форму хрупкого фрукта или неровной коробки, не повреждая их структуры.

• Поглощать удары. Эластичные роботы могут безопасно сталкиваться с препятствиями или людьми без каких-либо серьезных последствий.

• Проходить через тесные пространства. Деформируемые тела роботов умеют сжиматься и проникать в щели, трубы и даже человеческие артерии. 

Так гибкие устройства могут проводить малоинвазивные хирургические операции, собирать образцы в экстремальных условиях или исследовать морские экосистемы.

Как работают мягкие роботы

В отличие от традиционных устройств с электрическими моторами и шестеренками, гибкие машины используют деформирующиеся технологии, например:

• Пневматические и гидравлические приводы. Работают за счет смены давления воздуха или жидкости во внутренних полостях — это деформирует мягкие материалы и приводит их в движение. Например, так сокращаются искусственные мышцы McKibben ^[3] — они состоят из полиуретановой трубки и тканевого каркаса, который сжимается при подаче воздуха.  

• Сплавы (SMA) и полимеры с памятью ^[4] формы (SMP). Восстанавливают первоначальную форму робота при воздействии тепла, электричества или света. SMA состоят из металлов, вроде нитинола, и меняют свою кристаллическую структуру при нагревании или охлаждении. А SMP деформируются за счет воздействия на синтетические полимеры.

Например, в Университете Карнеги-Меллона разработали бумажных роботов для имитации движений растений с помощью SMP-технологий.

• Диэлектрические эластомерные приводы. Работают через диэлектрическую пленку, зажатую между двумя гибкими электродами. В этом случае устройство деформируется под воздействием тока. Такую технологию уже применяют в работах Elysium и Arachno-Bot. 

• Магнитное управление. Удаленно контролирует движения и деформацию мягких роботов за счет встроенных магнитных частиц. Устройства выгибаются, сокращаются и растягиваются, адаптируясь к сложным условиям и тесным пространствам.

  Например, ученые из Пекинского технологического института создали многослойного мини-робота, который умеет плавать, катиться и кувыркаться. Его успешно протестировали на искусственных кровеносных сосудах и доставке терапевтических пластырей на язву желудка свиньи. 

• Химическое управление. Робот меняет форму после химического взаимодействия внутри его структуры. Например, в мягком боте Octobot пероксид водорода реагирует с платиновыми наночастицами — это создает газ, который заполняет пустоты в теле устройства. В результате конечности робота расширяются или сжимаются, приводя его в движение.

В мягких машинах также деформируются их сенсоры. Они растягиваются, сжимаются или сгибаются и помогают точно отследить состояние устройства при контакте с окружением. К ним относятся:

• эластичные проводящие чернила. Используют жидкие металлы и углеродные наноматериалы, вроде нанотрубок или графена. Они встраиваются в мягкие структуры робота и изменяются при его деформации. Это дает тактильную обратную связь для детального взаимодействия с объектами или поверхностью.

• волоконно-оптические датчики. Встроенные оптические волокна меняют интенсивность, фазу и другие характеристики света при деформации робота. Так фиксируются любые изменения формы или положения устройства.

• микрофлюидные сенсоры. Используют каналы с токопроводящими жидкостями — электролитами или жидким металлом. Они изгибаются вместе с машиной и регулируют проводимость раствора. Так система определяет давление, прикосновение и другие механические воздействия.

Мягкая робототехника в различных секторах

Мягкие роботы более гибкие и адаптивные, поэтому применяются в самых разных сферах:

Здравоохранение и реабилитация

Гибкие экзоскелеты и перчатки помогают людям восстановиться после инсульта ^[6] или травм спинного мозга ^[7]. Они аккуратно поддерживают тело и подстраиваются под его движения. 

Например, ReWalk Robotics разработала экзоскелет ReStore для реабилитации пациентов с гемипарезом после инсульта. Устройство восстанавливает нормальную походку, поддерживает пациента при каждом шаге и улучшает симметрию ^[8] его движений.

Также протезы и экзоскелеты на базе мягких материалов распределяют давление, уменьшают дискомфорт и лучше считывают сигналы от мышц или нервной системы ^[9]. Это повышает точность отклика и делает протезы более реалистичными в повседневных задачах — от удержания предметов до выполнения тонкой моторики. 

Например, мягкая перчатка-робот от Imago Rehab помогает в домашней реабилитации после инсульта. Устройство восстанавливает функции кисти и позволяет захватывать предметы

Исследование и мониторинг окружающей среды

Мягкие роботы легко проникают в труднодоступные места — завалы, морские экосистемы или трещины в горных породах. 

Например, биомиметический мягкий робот-«семечко» исследует почву через электроспиннинговые гигроскопические волокна из полиэтилен-оксидной оболочки. Эти устройства работают без батарей или при минимальной энергонагрузке.

Производство и логистика

В логистических центрах гибкие машины работают с хрупкой упаковкой, стеклом, электроникой или мелкими компонентами, снижая риск брака. А в производстве — быстро перестраиваются под разные формы и размеры деталей, экономя время при смене партий. Это дает стабильное качество и ускорение потоков без дополнительных затрат на доработку продукции.

Например, мягкие роботизированные захваты от Ubiros применяются в логистике и пищевой промышленности — аккуратно берут хрупкие продукты или электронику, минимизируя повреждения при упаковке.

Сельское хозяйство

Фермеры используют мягкие роботизированные руки для сбора урожая — аккуратно захватывают фрукты и овощи, а затем сортируют их по качеству и размеру. Это снижает количество испорченной продукции и экономит человеческий труд, который раньше уходил на ручной сбор. В результате повышается рентабельность хозяйства и снижается нагрузка на работников.

Например, мягкий робот SOFTGRIP предназначен для сбора белых шампиньонов. Система использует ручное управление, сенсорику и материалы, соответствующие стандартам пищевой безопасности.

Также гибких роботов задействуют в кулинарии, строительстве, военно-промышленном комплексе и исследовании космоса. 

Будущее взаимодействия человека и машины

Мягкая робототехника открывает будущее, где машины станут полноценными помощниками — точными, безопасными и гибкими. Новые устройства все чаще будут использовать:

• Самовосстанавливающиеся материалы. Роботы начнут «заживлять» повреждения за секунды. Биополимеры, разработанные в Пенсильванском университете, уже применяются в пневмоприводах мягких роботов. А силиконовые эластомеры, такие как EcoFlex, восстанавливают форму даже после сильных нагрузок. Это снижает расходы на ремонт, увеличивает срок службы и позволяет использовать роботов там, где обычные материалы быстро выходят из строя.

• Интеграцию с ИИ. Искусственный интеллект ^[10] сделает роботов более адаптивными, а машинное обучение ^[11] позволит принимать решения в реальном времени. Такие устройства будут точнее ассистировать хирургам или управлять транспортом, реагируя на меняющиеся дорожные условия.

• Автономность. Роботы смогут действовать без постоянного контроля человека. Это особенно критично в спасательных операциях или экстренной медицине, когда нужно работать в неопределенных условиях и без задержек. 

• Биоразлагаемые материалы. Новые экологичные материалы снизят нагрузку на природу. Роботы из биоразлагаемых компонентов станут безопаснее для экосистем и будут активно применяться в сельском хозяйстве или экологических проектах.

Эти технологии сделают машины устойчивей и безопаснее, а также расширят их применение в медицине, производстве и экологии.