Исследователи из Токийского университета разработали необычную конструкцию роботизированных ног, которая воспроизводит некоторые механические свойства человеческих мышц, сухожилий и связок. Главная особенность разработки заключается в том, что все эти элементы изготовлены из одного материала — гибкого термопластичного полиуретана (TPU), а необходимые свойства достигаются за счёт изменения геометрии 3D-печатных структур.
Новая технология может упростить создание роботов с биомеханикой, приближенной к человеческой. Вместо сложной комбинации различных материалов и жёстких механических деталей инженеры предлагают использовать единую гибкую основу, способную выполнять сразу несколько функций.
Пока разработка находится на экспериментальной стадии: прототип уже демонстрирует движения, имитирующие шаги человека, однако самостоятельно ходить и удерживать равновесие он ещё не умеет.
Как работает искусственный опорно-двигательный аппарат?
В основе проекта лежит идея, что механические свойства материала можно изменять не только его химическим составом, но и формой самой конструкции.
Для изготовления роботизированных ног исследователи используют термопластичный полиуретан — эластичный полимер, который хорошо переносит деформации и способен возвращаться к первоначальной форме. Однако сам по себе TPU не обладает всеми характеристиками человеческих мышц, сухожилий и связок.
Чтобы добиться необходимого результата, инженеры применяют параметрическую 3D-печать. Этот метод позволяет заранее задавать геометрию печатаемой структуры, регулируя плотность её внутренней решётки, толщину перемычек и другие параметры.
В результате один и тот же пластик приобретает совершенно разные механические характеристики:
- Искусственные мышцы — более мягкие и эластичные структуры, способные деформироваться под воздействием нагрузки.
- Сухожилия — более плотные и жёсткие элементы, обеспечивающие передачу усилия.
- Связки — специальные структуры, ограничивающие амплитуду движений и стабилизирующие суставы.
- Подошвы стоп — упругие элементы, выполняющие функцию амортизации при контакте с поверхностью.
Особенно интересен принцип создания искусственных связок. Их задача — ограничивать нежелательные движения в области тазобедренных, коленных и голеностопных суставов. При этом для реализации такой функции исследователи используют свойства самой печатной конструкции, а не традиционные механические ограничители или подшипники.
Изменяя геометрию отдельных участков, инженеры могут создавать переходы от мягких и податливых зон к более жёстким. Это позволяет объединить несколько функциональных элементов в единую конструкцию.
Впрочем, есть принципиальное отличие от настоящей биологии: напечатанные структуры не способны самостоятельно сокращаться, как живые мышцы. Они обеспечивают пассивную упругость и сопротивление деформации, тогда как активное движение создаётся отдельной системой приводов.
Приводы и тросовая система: как робот двигает ногами?
За движение роботизированных конечностей отвечают электродвигатели, установленные в области тазовой рамы. Они приводят в действие систему шкивов и тросов, которые проходят через специальные гибкие оболочки — тросовые направляющие Боудена.
Когда двигатель вращается, трос натягивается и передаёт усилие на соответствующие элементы искусственной мускулатуры. Благодаря этому конструкция может выполнять необходимые движения в суставах.
Размещение двигателей ближе к корпусу — не случайное инженерное решение. Оно позволяет уменьшить массу самих ног. Для шагающего робота это особенно важно: чем тяжелее конечности, тем больше усилий требуется для их перемещения и тем сложнее обеспечить устойчивость всей конструкции.
Таким образом, исследователи разделили две основные функции системы:
- электродвигатели и тросы обеспечивают активное движение;
- гибкие TPU-структуры отвечают за упругость, механическую поддержку и ограничение движений.
Такое сочетание позволяет изучать взаимодействие различных элементов искусственного опорно-двигательного аппарата и искать способы воспроизведения сложной биомеханики человека.
Почему робот пока не умеет ходить самостоятельно?
Несмотря на впечатляющую конструкцию, нынешний прототип ещё далёк от полноценного человекоподобного робота.
Во время демонстрационных испытаний система выполняла шаговые движения, но использовала внешнюю подвеску. Она частично поддерживала вес конструкции и ограничивала вращение корпуса, помогая сохранять необходимое положение.
Сами движения задавались заранее подготовленными командами, регулирующими длину тросов. Такой подход позволил исследователям проверить согласованную работу отдельных механических элементов, не решая одновременно более сложную задачу поддержания равновесия.
Поэтому демонстрация шагов пока не означает, что робот способен самостоятельно передвигаться или удерживать баланс без посторонней помощи.
Есть и другие технические трудности.
Во-первых, изготовление отдельных элементов искусственной мускулатуры занимает от 20 до 40 часов. Это довольно продолжительный производственный цикл, особенно если учесть количество деталей, необходимых для полноценной роботизированной конечности.
Во-вторых, на точность управления влияют силы трения внутри тросовой системы. Кроме того, механические характеристики гибкого полиуретана могут изменяться при многократных циклах нагрузки. Всё это усложняет разработку алгоритмов управления и требует дополнительной настройки конструкции.
Зачем роботам искусственные мышцы?
Разработка Токийского университета интересна не только как эксперимент по созданию роботизированных ног. Она предлагает новый подход к проектированию так называемых мускулоскелетных роботов — машин, в которых движение обеспечивается сочетанием искусственных мышц, сухожилий, связок и других элементов, имитирующих человеческую анатомию.
Традиционные роботизированные конструкции часто строятся на основе жёстких металлических деталей, шарниров и отдельных приводов. Такой подход хорошо подходит для промышленных манипуляторов, но при создании человекоподобных роботов возникают дополнительные сложности: необходимо учитывать гибкость тканей, амортизацию, распределение нагрузки и взаимодействие различных частей тела.
Использование единого материала с различными механическими свойствами потенциально позволяет упростить производство таких систем. Вместо разработки нескольких отдельных материалов для каждой функциональной детали инженеры могут получать необходимые характеристики непосредственно в процессе 3D-печати.
Это открывает перспективы для создания более гибких и биомеханически реалистичных роботов, способных взаимодействовать с окружающей средой иначе, чем традиционные машины с жёсткой конструкцией.
Важность проекта заключается прежде всего в предложенном методе проектирования и производства. Исследователи показали, что даже один полимерный материал способен выполнять несколько различных механических функций, если правильно подобрать внутреннюю структуру изделия.
До появления роботов, способных свободно передвигаться благодаря подобной системе, ещё предстоит решить немало инженерных задач. Но направление выглядит перспективным: возможно, будущее человекоподобной робототехники будет связано не столько с созданием всё более сложных механических суставов, сколько с воспроизведением принципов, по которым устроено человеческое тело.
