Исследователи из кластерa передового опыта Fraunhofer CPM разработали уникальный сустав пальца, способный удерживать четыре устойчивых положения без моторов, винтов и сложных соединений. Новый механизм, созданный из программируемого метаматериала, может значительно упростить конструкцию протезов кисти и роботизированных захватов — сделать их дешевле, комфортнее и эстетичнее.
Разработка ведётся в рамках проекта ProFi (Programmable Multistable Finger), в котором участвуют несколько институтов общества Фраунгофера. Цель учёных — переосмыслить пассивные протезы рук, создав устройство, которым можно управлять интуитивно, без электроники, сохранив при этом доступность для пользователей.
Как устроен новый сустав
Традиционные протезы с подвижными пальцами состоят из множества механических элементов — шарниров, винтов, осей. Каждая деталь увеличивает вес, стоимость и усложняет обслуживание. В системе ProFi всё это заменено одним цельным компонентом, напечатанным на 3D-принтере.
Такой палец сгибается вдоль одной оси и способен фиксироваться в четырёх позициях с шагом примерно 30 градусов — от расслабленного положения до жеста захвата. Чтобы проверить надёжность конструкции, инженеры использовали метод конечных элементов (FEM), анализируя распределение нагрузок при изгибе. Благодаря этим расчётам удалось добиться прочности и устойчивости при многократном использовании.
Готовый прототип напечатали с помощью технологий FDM (моделирование наплавлением) и SLS (селективное лазерное спекание). Такой подход исключает сборку и позволяет легко адаптировать форму под индивидуальные особенности пользователя — важный фактор для комфорта и естественного внешнего вида протезов.
Принцип мультистабильности
Секрет устойчивости нового сустава — в том, как ведёт себя материал при деформации. Учёные встроили в его структуру бистабильные ячейки — микроскопические элементы, которые могут «щёлкать» между двумя состояниями и оставаться в каждом из них без постоянного усилия.
Чтобы точно рассчитать поведение этих ячеек, специалисты использовали программный инструмент ProgMatCode, специально созданный для моделирования программируемых материалов. Комбинация оптимизированной геометрии и бистабильных элементов позволила создать сустав, который плавно переключается между зафиксированными положениями без электроники и внешней энергии.
Такой пассивный мультистабильный механизм делает устройство не только энергоэффективным, но и безопасным — например, при захвате предметов в промышленных роботах, где предсказуемость и простота механики имеют решающее значение.
Что такое программируемые материалы
Эта разработка — часть более широкой инициативы Programmable Materials CPM, направленной на создание материалов, чьи свойства определяются не химическим составом, а внутренней структурой. В отличие от обычных материалов, метаматериалы могут изменять свои характеристики под действием внешних сил, переходя между различными функциональными состояниями.
В перспективе такие материалы способны заменить целые механические системы одним адаптивным компонентом, снизить вес, повысить надёжность и открыть путь к совершенно новым формам дизайна. Особенно перспективными области применения считаются робототехника, медицина и экологические технологии.
Созданный сустав — это не просто лабораторный эксперимент, а реальный пример того, как можно объединить десятки деталей в одной компактной структуре. Он демонстрирует, каким могут быть протезы нового поколения — лёгкими, функциональными и доступными.
Учёные уже видят дальнейшие направления применения — от ортопедических устройств до адаптивных захватов для роботов. И хотя проект всё ещё в стадии исследований, он показывает, насколько близко будущее, где материалы сами “знают”, как двигаться и держать форму.
