Ученые разработали тканевые искусственные мышцы из сверхтонких нитей для повышения силы человека на 40%
Ученые из Центра передовой робототехники Корейского института машиностроения и материалов (KIMM) разработали новый процесс ткачества сверхтонких волокон из сплава с памятью формы (SMA) для создания тканевых искусственных мышц. Эта технология позволяет шить роботизированную одежду (экзоскелеты), которая, как показали испытания, увеличивает силу владельца и снижает мышечную нагрузку до 40 процентов.
Хотя экзоскелеты, созданные с помощью этого нового метода, пока находятся на лабораторной стадии, исследовательская группа уже работает над прототипами для людей с ограниченными физическими возможностями и слабостью мышц. Конечная цель ученых — найти коммерческого партнера для вывода на массовый рынок своего производственного процесса, позволяющего создавать сверхпрочную ткань.
Ведущий исследователь проекта доктор Чхоль Хун Пак пояснил, что многие страны вступают в фазу «сверхвозрастного» общества, и спрос на технологию экзоскелетов, повышающих силу и мобильность, будет резко расти. Однако для широкого распространения таких устройств необходимо преодолеть ограничения текущих технологий: они должны быть легкими, удобными и доступными по цене. Обычные экзоскелеты для поддержки плеча, локтя и запястья полагаются на тяжелые, шумные моторы или пневматические приводы, что делает системы громоздкими, дорогими и некомфортными при длительном использовании. Решением стало создание простых односуставных экзоскелетов, но помощь крупным и сложным суставам, таким как плечевой, оставалась серьезной проблемой.
Теперь команда доктора Пака создала систему вплетения мышечных волокон в ткань, что позволило масштабировать производство бесшумной, компактной и энергоэффективной роботизированной одежды. Вместо воздушных приводов или громоздких электродвигателей ученые использовали крошечные волокна из сплава с памятью формы — материала, который восстанавливает свою форму при нагревании. Для этого применяется проволока SMA диаметром 25 микрометров, что примерно в четыре раза тоньше человеческого волоса. Отдельные проволоки перерабатываются в пряжу в форме спирали, и как обычная пряжа, эта SMA-пряжа позволяет непрерывно ткать тканевые мышцы.
Доктор Пак объяснил, что спиральные волокна SMA сокращаются при нагреве примерно до 40–50 градусов Цельсия, однако пользователь вряд ли заметит этот нагрев благодаря изолирующему слою ткани. Как и человеческие мышцы, тканевая мышца сокращается при нагреве и расслабляется при охлаждении. Для повторяющихся подъемов груза могут потребоваться вентиляторы для ускорения охлаждения, которые можно интегрировать в будущие потребительские версии. Экзоскелет в виде куртки питается от аккумулятора весом 200 граммов, закрепленного на спине, и оснащен компактным контроллером для изменения настроек. Силу сокращения тканевых мышц можно менять, регулируя количество и продолжительность электрического тока, подаваемого на SMA-волокна. В зависимости от выбранного уровня и активности система может работать около четырех часов без подзарядки.
Испытания прототипа куртки показали, что она способна одновременно помогать локтевому, плечевому суставам и пояснице. Куртка весом менее двух килограммов снизила мышечные усилия более чем на 40 процентов при выполнении повторяющихся физических задач. Примечательно, что всего 10 граммов роботизированной ткани в основе системы могут поднимать груз весом 10–15 килограммов. Более сложное плечевое устройство весом всего 840 граммов, протестированное в клинических испытаниях в больнице Сеульского национального университета на пациентах с мышечной слабостью, включая больных мышечной дистрофией Дюшенна, улучшило среднюю подвижность плеча более чем на 57 процентов.
Говоря о следующем этапе разработки, доктор Пак сообщил, что сейчас команда разрабатывает и оценивает прототип экзоскелета в виде штанов. Исследователи ожидают, что он поможет людям, которым трудно ходить по склонам или лестницам, или долго стоять на ногах. Хотя текущая версия устройства пока коммерчески недоступна, ключевая технология ткачества SMA-волокон была разработана в некоммерческом исследовательском институте, поэтому для коммерциализации ее необходимо передать промышленному партнеру. В институте уже разработали как производственное оборудование для массового выпуска тканевых мышц, так и работающий прототип. Доктор Пак отметил, что после передачи технологии коммерческому партнеру она может выйти на рынок в течение одного-двух лет.
Исследование в журнале IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering.