Кожа хобота слона подсказала инженерам новый путь к созданию роботизированных захватов
Способность слонового хобота одинаково успешно справляться как с перемещением тяжёлых брёвен, так и с чрезвычайно деликатными задачами вроде очистки банана давно привлекает внимание специалистов в области мягкой робототехники. Хобот представляет собой уникальный орган, полностью состоящий из мышц и не содержащий костей, благодаря чему сочетает огромную силу и высокую точность движений. Новое исследование позволило выяснить, какую роль в этих возможностях играет кожа хобота и каким образом её микроскопическое строение обеспечивает столь широкий диапазон функций.
Исследование провела группа учёных под руководством Лючии Беккаи. Для работы использовались ткани хобота взрослого азиатского слона, который умер естественной смертью в 2020 году в Цюрихском зоопарке в Швейцарии. Исследователи получили 35 образцов тканей из различных участков хобота и выполнили комплексный анализ, объединив биомеханические испытания, гистологические исследования, несколько методов визуализации и компьютерное моделирование.
Главным результатом работы стало открытие того, что кожа хобота вовсе не является однородным материалом. Она разделена на две чётко выраженные механические зоны, каждая из которых выполняет собственную специализированную функцию.
Верхняя часть кожи действует как своеобразная природная броня. Она прочная, устойчивая к повреждениям и более чем втрое жёстче кожи нижней стороны хобота. Такое устройство полностью соответствует условиям эксплуатации: именно верхняя часть чаще всего контактирует с грубой корой деревьев, трётся о землю и принимает на себя значительные нагрузки во время перемещения тяжёлых предметов или выполнения силовых действий.
Нижняя сторона хобота, напротив, отличается высокой гибкостью и чувствительностью. Её структура оптимизирована для захвата объектов различной формы и размера. Благодаря меньшей жёсткости кожа способна плотно облегать поверхность предметов — будь то бревно, фрукт или хобот другого слона во время приветствия. Это увеличивает площадь контакта и позволяет формировать надёжный захват без необходимости прикладывать чрезмерные мышечные усилия.
Однако наиболее интересное открытие ожидало исследователей под поверхностью этой гибкой зоны. Здесь были обнаружены куполообразные структуры, известные как дермальные сосочки. Используя метод конечных элементов — вычислительный подход, позволяющий моделировать реакцию физических структур на различные нагрузки, — учёные выяснили, что эти образования работают как своеобразная механическая линза, скрытая внутри ткани.
Вместо того чтобы просто смягчать давление, куполообразные сосочки концентрируют и усиливают механические напряжения именно в тех местах, где расположены чувствительные нервные окончания. Фактически эта структура выполняет роль биологического усилителя сигнала. Даже слабые механические воздействия, например особенности текстуры банановой кожуры, становятся более заметными для сенсорной системы ещё до того, как информация достигает нервных рецепторов, отвечающих за восприятие прикосновений.
Авторы работы считают, что обнаруженная двухзональная архитектура может стать готовым образцом для создания нового поколения мягких роботизированных систем. В хоботе слона защитные и сенсорные функции реализованы не за счёт отдельных компонентов, а благодаря единой ткани с тщательно настроенными различиями в жёсткости и внутреннем строении.
Практическое значение открытия заключается в возможности использования биомиметических многоматериальных конструкций при разработке роботизированных захватов. Если воспроизвести природное сочетание более жёстких и более мягких слоёв, инженеры смогут создавать устройства, которые одновременно будут защищены от механического износа и способны усиливать слабые тактильные сигналы. При этом чувствительные датчики смогут оставаться скрытыми под защитным слоем и не подвергаться прямому воздействию окружающей среды.
Подобная задача остаётся одной из самых сложных в области мягкой робототехники. Датчики, способные регистрировать тонкие прикосновения, обычно оказываются наиболее уязвимыми к повреждениям в процессе эксплуатации. Решение, найденное природой в хоботе слона, предлагает эффективный способ объединить защиту и высокую чувствительность в одной конструкции, что может существенно повлиять на развитие роботизированных манипуляторов будущего.
Результаты исследования были в журнале PNAS Nexus.