Tradycyjna robotyka od lat opiera się na stali, silnikach i sztywnych mechanizmach. Zespół pod kierunkiem Hong Yeo postanowił pójść zupełnie inną drogą. Stworzył bowiem sztuczne mięśnie z materiałów przypominających żywe tkanki, które połączył z algorytmami uczenia maszynowego. Efekt? Protezy zachowujące się bardziej tak, jak naturalna część ciała niż mechaniczne narzędzie.
Bionika 2.0, czyli elastyczne włókna zamiast stalowych drutów
Hierarchicznie ustrukturyzowane włókna stanowią podstawę nowej technologii. Te warstwowe materiały naśladują budowę naturalnych mięśni i ścięgien, zachowując elastyczność przy jednoczesnej wytrzymałości. W odróżnieniu od konwencjonalnych rozwiązań robotycznych, opierających się na metalowych szkieletach i silnikach elektrycznych, te nowe sztuczne mięśnie są miękkie, responsywne i bezpieczne w kontakcie z ludzkim ciałem.
Kiedy ludzie myślą o robotach, zazwyczaj wyobrażają sobie coś w rodzaju Terminatora czy RoboCopa: duże, sztywne i metalowe. Ale to, co rozwijamy, jest przeciwieństwem. Te sztuczne mięśnie są miękkie, elastyczne i responsywne – bardziej przypominają ludzką tkankę niż maszynę – stwierdził Hong Yeo, profesor w George W. Woodruff School of Mechanical Engineering.
Czytaj też: Mały jak pizza, a mocny jak czołg. Najmocniejszy silnik świata redefiniuje moc
Kluczową rolę odgrywają algorytmy uczenia maszynowego regulujące właściwości materiału w czasie rzeczywistym. System analizuje ruch użytkownika i automatycznie dostosowuje siłę lub elastyczność do konkretnego zadania. Materiał potrafi wyczuwać otoczenie, adaptować się do nowych sytuacji, a nawet zapamiętywać wcześniejsze ruchy, tworząc coś na kształt pamięci mięśniowej.
Rękawica, która czuje jak człowiek i dwa rodzaje inteligencji
Pierwszym praktycznym zastosowaniem technologii stała się rękawica protetyczna opisana w czasopiśmie ACS Nano. Urządzenie to już teraz precyzyjnie dostosowuje siłę chwytu do tego stopnia, że może utrzymać jajko bez jego zniszczenia, a nawet chwycić słoik i go otworzyć. System redukuje drżenia i natychmiast reaguje na intencje użytkownika, eliminując frustrujące opóźnienia charakterystyczne dla tradycyjnych protez. To zresztą tak naprawdę wyróżnia to rozwiązanie – zdolność do uczenia się. Sztuczne mięśnie nie tylko wykonują zaprogramowane sekwencje ruchów, ale też analizują wzorce, samodzielnie korygują błędy i z czasem stają się coraz bardziej naturalne w działaniu. Jest to zasadnicza różnica między mechanicznym narzędziem a integralną częścią ciała.
Czytaj też: Szansa dla elektrowni węglowych. Czy Rosja właśnie odczarowała węgiel?
W artykule przeglądowym opublikowanym w Materials Horizons naukowcy opisują dwa typy inteligencji zaimplementowane w sztucznych mięśniach. Pierwszy to inteligencja oparta na pamięci, która to stanowi zdolność do zapamiętywania różnych stanów i wykonywania wielu trybów ruchu. Materiały mogą być programowane do rozciągania, skurczu, zginania, skręcania czy składania, a następnie przełączać się między tymi trybami. Bardziej zaawansowane systemy potrafią się nawet przeprogramowywać. Drugi typ to inteligencja sensoryczna. Sztuczne mięśnie jednocześnie wykonują funkcje sensoryczne i aktywacyjne, a to wszystko bez zewnętrznych czujników. Naśladują tym samym biologiczne sprzężenie zwrotne – wykrywają nacisk, temperaturę, odkształcenie i natychmiast reagują na te bodźce.
Nie tylko protezy, czyli jakie furtki otworzą inteligentne mięśnie?
Zastosowania technologii wykraczają daleko poza ortopedię. W robotyce adaptacyjnej takie inteligentne mięśnie umożliwiają tworzenie maszyn spontanicznie reagujących na zmiany środowiska, a dzięki temu mogą one wykorzystywać wyłącznie właściwości materiału do autonomicznej nawigacji. W medycynie technologia znajduje zastosowanie w symulatorach organów. Badacze stworzyli już zresztą model lewej komory serca, który replikuje złożone ruchy biologiczne z niezwykłą precyzją, a takie symulatory mogą zrewolucjonizować szkolenie chirurgów i testowanie nowych procedur.
Czytaj też: Wlecieli samolotem w oko huraganu kategorii 5. To co nagrali przekracza ludzkie wyobrażenia
Urządzenia noszone stanowią kolejny potencjalny obszar rozwoju. Lekkie, bezpieczne egzoszkielety wspierające ruch mogą pomóc osobom z dysfunkcjami neurologicznymi odzyskać mobilność. W przeciwieństwie do ciężkich, mechanicznych ortez, takie oto systemy oparte na sztucznych mięśniach są dyskretne i wygodne w codziennym użytkowaniu. Problem w tym, że pomimo imponujących postępów w zakresie tworzenia sztucznych mięśni, wyzwania pozostają realne, a skalowalność produkcji stanowi główny problem, bo samo przejście od prototypów laboratoryjnych do struktur 3D nadających się do masowej produkcji wymaga nowych technik wytwarzania.
Terminator czy ludzie 2.0?
Różnica między mechanicznym narzędziem a częścią ciała tkwi w akceptacji. Jeśli proteza wydaje się obca, to ludzie przestają jej używać. Gdy jednak staje się naturalnym przedłużeniem ciała, to rzeczywiście zmienia życia. Nie jest to więc wizja Terminatora, gdzie maszyny zastępują ludzi, ale technologia, która pomaga nam odzyskać samych siebie.