Мягкие роботы обладают способностью изменять свою структуру, при этом их довольно легко повредить из-за особенностей материала, из которого они изготовлены. Инженеры из Корнельского университета в Итаке, штат Нью-Йорк, создали мягкого робота, способного самовосстанавливаться после обнаружения повреждений или травм.

Команда под руководством Роба Шепарда, доцента кафедры механической и аэрокосмической инженерии Корнеллского университета, задумала создать робота, способного обнаруживать и устранять повреждения с помощью оптических датчиков и композитного материала. Комбинируя датчики и материалы, они создали мягкую "самоизлечивающуюся" технологию.

Робот способен обнаружить повреждение и устранить его

Исследователи создали мягкого робота таким образом, чтобы он мог выполнять свои функции, даже в случае повреждения. "Наша лаборатория всегда пытается сделать роботов более выносливыми и маневренными, чтобы они работали дольше и имели больше возможностей", - сказал Шепард. "Дело в том, что, если заставить роботов работать в течение длительного времени, они будут накапливать повреждения. Так как же им помочь в восстановлении и устранении этих повреждений"?

SHeaLDS in a soft robot that was able to detect puncture damage and heal itself. Rebecca Bowyer/Cornell Engineering at Cornell University

Ученые отметили, что робот прежде всего должен распознать повреждение прежде, чем приступить к ремонту. Для изготовления мягких роботов и других необходимых компонентов эксперты использовали растяжимые волоконно-оптические датчики из лаборатории органической робототехники. Ранее такие датчики с успехом использовались в самых разных проектах, включая создание эластичной "кожи".

Свет от светодиодов проходит через оптический волновод - пространственно-неоднородную структуру для направления света. Затем фотодиод - полупроводник, пропускающий ток, - фиксирует изменения интенсивности луча, определяя деформацию или повреждение материала. Волноводы способны пропускать свет, даже если их проткнуть или разрезать.

Исследовательская группа объединила датчики с полиуретановым эластомером - гибким материалом, сочетающим водородные связи для быстрого заживления и дисульфидную связь для увеличения прочности. В результате комбинации материалов получился SHeaLDS - самовосстанавливающийся световод динамического зондирования.

An image of a photodiode on the left. Mister rf/Wikimedia Commons 

Демонстрация SHeaLDS

SHeaLDS устойчив к повреждениям и способен к самовосстановлению после порезов без внешнего вмешательства. Исследователи установили SHeaLDS в мягкого робота, чтобы продемонстрировать его работу. По форме робот напоминал четырехногую морскую звезду и был оснащен системой обратной связи.

Исследователи шесть раз прокололи одну из ножек робота, и каждый раз технология смогла обнаружить повреждение и самовосстановиться. При этом на самоисцеление у робота уходило не более минуты. Кроме того, определив степень повреждения, робот автоматически корректировал свое движение.

Illustration from a study demonstrating how SHeaLDS works in relation to a robot. Cornell University/Scientific Progress

Перспективы использования мягких роботов, дополненных искусственным интеллектом

 Несмотря на то, что такое устройство достаточно износостойкое, оно не является полностью неуязвимым. "Новые роботы имеют характеристики, схожие с человеческой плотью", - сказал Шепард. " Невозможно быстро и качественно вылечить травмы от химических или термических ожогов, потому что они изменяют химический состав тканей. А вот порезы заживают хорошо".

Шепард и его команда намерены интегрировать SHeaLDS с алгоритмами машинного обучения, которые распознают специфику опыта, например, исцеление робота от повреждений. Они надеются, что будущий робот будет обладать способностью к самовосстановлению, но при этом сможет выполнять больше функций. В будущем ученые планируют создать "очень выносливого робота, который будет обладать самовосстанавливающейся кожей, но при этом использовать эту же кожу для изучения окружающей среды, чтобы иметь возможность выполнять больше задач".

Исследование было опубликовано 7 декабря, в журнале Science Advances.

Источники и ссылки: Journal Interesting Engineering, Science Advances, Cornell University.

1. (https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abq2104)
2. (https://news.cornell.edu/stories/2020/11/stretchable-sensor-gives-robots-and-vr-human-touch)
3. (https://interestingengineering.com/innovation/a-robot-can-self-heal-in-about-a-minute-after-detecting-damage)