Будущее робототехники
Источник: [ "Источники использованной литературы" ]
Существует ряд подх CCR-оригами. Роботы-оригами представляют собой устройства, созданные путем складывания двумерных листов в трехмерные объекты, применяя технологии, вдохновленные древним искусством оригами.
CCR-оригами изготавливаются из фотополимерной смолы или полиамидной пленки и приводятся в движение с помощью тросов. CCR-оригами могут проходить через ограниченное пространство в виде небольшой 2D-формы и трансформироваться позднее в 3D-объекты. Данные возможности с успехом используются при применении таких устройств в малоинвазивной хирургии.
Перспективным направлением в развитии мягкой робототехники является использование полимеров с памятью формы. При растяжении или деформации данные полимеры возвращаются к своей первоначальной форме после воздействия тепла или света.
Данные свойства могут использоваться для создания захватов. Например, китайские ученые [ "Источники использованной литературы" ] предложили устройство, которое действует по следующему принципу. Полимер размягчают путем нагрева, вдавливают в него нужный предмет, охлаждают до затвердевания, переносят объект в нужное место, после этого полимер снова нагревают, в результате чего он возвращает свою исходную форму и выдавливает объект наружу.
Данный способ позволяет перемещать как большие предметы, так и микроскопические размером в десятки микрометров.
Мягкая робототехника представляет лишь одно из направлений, в котором применяются новые материалы.
В последнее время появилась возможность интегрировать материалы с широким спектром свойств, таких как жесткие и мягкие, проводящие и диэлектрические. Разработчики научились создавать искусственные ткани с тонкой структурой, размеры которой на порядки меньше, чем размеры самого робота.
Компоновка материалов с разной структурой и жесткостью - это лишь малая доля на пути копирования возможностей работы живых тканей.
Живые организмы не просто состоят из материалов с различной жесткостью, но также могут оперативно изменять эту жесткость в ответ на сигналы, например, сокращаясь и расслабляясь.
Вдохновленные поведением природных мышц, ученые предложили технологию, получившую название "искусственные мышцы" (Artificial muscles), или мышечные приводы. В отличие от обычных двигателей, которые используют много компонентов, искусственные мышцы могут изменять свою жесткость, обратимо сжиматься, рас- ширяться или вращаться в пределах одного компонента.
Электродвигатели успешно применяются в приводах жестких роботов и менее эффективны в мягких системах. Поэтому в мягкой робототехнике искусственные мышцы могут произвести настоящую революцию.
Отдельное направление, которое также можно связать с использованием уникальных материалов, - это биогибридная робототехника, о которой необходимо рассказать чуть подробнее.
Биогибридные роботы
Если одни ученые пытаются создать "искусственную живую ма- терию" со свойствами самопостроения, другие исходят из того, что строительный материал можно черпать из самой живой природы. Биогибридная робототехника - это область, в которой биологические объекты объединяются с искусственными для получения свойств, которые пока невозможно получить на базе только искусственных материалов. Такой подход позволяет создавать роботов, совместимых с живыми организмами (и в том числе с организмом человека).
Связь робототехники и биологии проявляется на разных уровнях: от биовдохновленных машин, в которых человек пытается воплотить те или иные механизмы функционирования биологических организмов, до попыток непосредственной интеграции живой и неживой материи.
За последние годы биогибридная робототехника перешла из разряда научной фантастики в разряд реальной науки и техники. Биогибридные роботы могут использовать уникальные особенности живых клеток, например их способность динамически реагировать на изменение условий окружающей среды, а также такие свойства как самовосстановление, наличие встроенных датчиков, использование недорогого и экологически чистого топлива.
На основе сочетания искусственных компонентов и живых биологических материалов были разработаны робототехнические решения, использующие адаптивность живых мышц, чувствительность живых сенсорных клеток и даже вычислительные способности живых нейронов [ "Источники использованной литературы" ].
Биогибридные роботы могут включать живые клетки, биологические ткани, микроорганизмы и даже сложные живые организмы. То есть ин- тегрировать разные объекты от микро- до макромасштаба. Дадим крат- кую характеристику перечисленным видам биогибридных роботов.
Роботы-микроорганизмы - это роботизированные системы размером около 1 мкм, состоящие из одноклеточных микроорганизмов (бактерий, грибов, водорослей и т. д.), интегрированных с микро- и наноразмерными функциональными компонентами, такими как наноносители терапевтических грузов, наносенсоры и т. д. Роботы такого типа могут использоваться для доставки лекарств, для биосенсинга 5Микробы могут выступать в роли микросенсоров, поскольку способны ощущать и динамически реагировать на широкий спектр условий окружающей среды , мониторинга окружающей среды и биоремедиации 6Комплекс методов очистки вод, грунтов и атмосферы с использованием метаболического потенциала биологических объектов . Для централизованного управления движением микробных роботизированных систем может использоваться способность микробов чувствовать и реагировать на внешние стимулы - градиен- ты магнитных полей, концентрацию хемоэффекторов 7Хемоэффекторы - вещества, на которые реагируют бактерии. Эффекторы, привлекающие бактерий, называют аттрактантами, а отпугивающие - репеллентами , pH, свет и электрические поля.
Роботы, основанные на биологических тканях, известны прежде всего благодаря экспериментам по использованию группы кле ток сердечной мышцы для создания живых двигателей. Еще в 2017 г. американские биоинженеры создали робота-ската, мышцы которого состояли из клеток сердечной мышцы крыс. Сердечная ткань обладает отличными свойствами сокращения. Кардиомиоциты - клетки, которые составляют основную массу миокарда, могут быть выделены из новорожденных крыс или даже из насекомых.
Многие исследователи использовали кардиомиоциты в качестве источника живой энергии. Клетки сердечной мышцы идеально подходят для использования в биогибридных приводах, поскольку демонстрируют спонтанное и синхронное биение при наличии глюкозы в качестве источника энергии. Для такой синхронности клетки должны быть соединены в закрытый слой, в этом случае электростимуля ция для синхронного сокращения не требуется. Если клетки рассредоточены на проводящей подложке, можно синхронизировать часто- ту биений с помощью электростимуляции [ "Источники использованной литературы" ].
Другой уникальный пример построения робота с использованием биологических тканей представили ученые Токийского университета. Они опубликовали в 2022 г. работу [ "Источники использованной литературы" ], в которой рассказали о разработке кожи для робота, состоящей из клеток человеческой кожи, которая самовосстанавливается и имеет текстуру кожи человека.
Роботы-киборги - это роботы, полученные на базе искусственно- го "усовершенствования" животных таким образом, что их движение (ходьба, полет, плавание) может управляться извне. Такие возможности были продемонстрированы на примере медуз, моллюсков, черепах и насекомых, включая саранчу, жуков, тараканов и мотыльков.
Микро- и наноробототехника
Продолжая тему эволюции робототехники, затронутую в предыдущих лекциях, интересно отметить, что природа создавала живые объекты, двигаясь от элементарных одноклеточных машин микроскопического размера к многоклеточным сложным системам макроразмера, в то время как человек начал создание искусственных машин с макро- уровня - с промышленных роботов. Он создавал их из имеющихся на то время конструкционных материалов и лишь позднее перешел на микро- и наноразмеры, что приблизило возможность интеграции роботехнических устройств с живой тканью животных и человека.
Создание роботов микроуровня - одно из перспективных направлений развития робототехники. Мы уже немного поговорили о микро- роботах в рамках темы биогибридных машин. Следует отметить, что рассмотренные направления (микроботика и биогибридная робототехника) - это пересекающиеся области, в том смысле, что биогибридные роботы могут быть микророботами.
Следует отметить, что с микро- и нанороботами таксономия тоже еще не устоялась. На интуитивном уровне микроробот - это робот, все размеры которого не более микрометра, но на практике иногда считают, что в области микрометрового диапазона могут быть отдельные части этого робота, а сам робот может быть больше. Отсюда определения роботов, исходящие из их размеров, могут отличаться. Например, в работе [ "Источники использованной литературы" ], которую мы процитируем, говорится, что "на практике термины "наноробот" часто применяют к устройствам размером примерно 0,1-10 мкм, что все равно достаточно мало". В табл. 14.1, где приведены согласованные определения мили-, ми кро- и нанороботов, наноробот определяется как устройство, имеющее размеры менее 1 микрометра.