Umelé svaly, ktoré sa samy dokážu vyliečiť, prinášajú nádej nielen pre roboty
Tím Erica Marvicku, spolu s jeho postgraduálnymi študentmi Ethanom Kringsom a Patrickom McManigalom z univerzity Nebraska-Lincoln, ukázali nový prístup k pohonným jednotkám mechanizmov.
Na medzinárodnej konferencii organizácie IEEE o automatizácii a robotike v Atlante v štáte Georgia prezentovali štúdiu popisujúcu praktický prístup k realizácii elektro-mechanických „svalov“ schopných si samostatne opravovať vlastné poškodenia.
„Ľudské telo a zvieratá sú úžasné. Môžeme sa porezať, udrieť a utrpieť dosť vážne zranenia. A vo väčšine prípadov, s veľmi obmedzeným vonkajším použitím obväzov a liekov, sme schopní veľa vecí vyliečiť sami," povedal Markvicka, odborný asistent biomedicínskeho inžinierstva. „Ak by sme to dokázali replikovať v rámci syntetických systémov, skutočne by to prinieslo zmeny v tejto oblasti a tiež v tom, ako uvažujeme o elektronike a strojoch.“
Inšpirácia prírodou
Tradičné mechanizmy vytvorené človekom sa skladajú z „tvrdých“ materiálov, teda kovov či plastov s tuhou štruktúrou. Ich pohyb zabezpečujú známe fyzikálne javy, väčšinou spočívajúce v interakcii elektriny a magnetických polí.
Ak však takýto systém spolupracuje s biologickými objektami, pevná štruktúra mechanizmu začne byť problémom. Telá rastlín, živočíchov aj samého človeka sú oveľa „mäkšie“ a v prípade kolízie s mechanizmom dochádza k hlavnému poškodeniu na ich strane.
„V našej komunite existuje obrovský tlak na replikáciu tradičných pevných systémov pomocou mäkkých materiálov a obrovský posun smerom k biomimike," zmienil Markvicka. „Aj keď sme dokázali vytvoriť roztiahnuteľnú elektroniku a ovládače, ktoré sú mäkké a konformné, často nenapodobňujú biológiu v ich schopnosti reagovať na poškodenie a potom iniciovať samoopravu.“
Mäkkú štruktúru mechanizmu vyrobiť vieme, existujú plasty napríklad na báze kremíka či flóru, ktoré majú vysokú odolnosť proti tepelnému či chemickému poškodeniu. Ich mechanická zraniteľnosť však ostáva problémom.
V prípade mechanického poškodenia, ktoré je pri „mäkkých“ štruktúrach pravdepodobnejšie, je nutné mechanizmus manuálne opraviť. Zvyšuje to však náklady na prevádzku a znižuje časovú dostupnosť prístroja.
Roboty s vlastným „opravárom“
Ak by mechanizmus dokázal odstrániť svoje poškodenie sám, odpadla by potreba opravára, nutnosť diagnostiky poškodenia a, samozrejme, aj „stratený“ čas, keď by bolo zariadenie mimo prevádzky.
Štúdia prezentuje „sval“ tvorený tromi vrstvami. Na vonkajšej strane je umiestnená časť, ktorá zistí, že došlo k poškodeniu. Ide o silikón, teda plast obsahujúci kremík, ktorý má v sebe zakomponované miniatúrne kvapôčky tekutého kovu. Majú rozmer asi desatiny milimetra.
Tento materiál sa pri izbovej teplote správa ako tekutina, je však, rovnako ako kov, elektricky vodivý. V tomto prípade je zložený zo zliatiny skladajúcej sa z troch štvrtín gália a štvrtiny india.
V strede štruktúry sa nachádza „samohojaca“ vrstva tvorená termoplastickým materiálom. Takýto druh plastu dokáže po zahriatí zmeniť tvar a teda „vyplniť“ medzeru spôsobenú „zranením“.
Samotný „sval“ tvorí aktuátor, kde pohyb vzniká hydraulicky, teda tlakom vody. Je chránený predchádzajúcimi dvoma vrstvami.
Ak dôjde k porušeniu „detekčnej“ vrstvy, kvapky tekutého kovu sa „zlejú“ a vytvoria novú vodivú cestu. Elektródami, ktoré prebiehajú touto časťou „svalu“, začne pretekať prúd zohrievajúci štruktúru.
Zvýšená teplota vzniká len na mieste poškodenia a môže dosiahnuť aj sto stupňov Celzia. To postačuje na zmenu tvaru termoplastickej vrstvy, ktorá tak poškodenie vyplní.
Využitie elektromigrácie
Inovatívnym prvkom je využitie javu, pri ktorom dochádza k presunu atómov v materiáli pôsobením elektrického poľa. V mikročipoch je to veľký „nepriateľ“, tam totiž jednotlivé atómy upravujú elektrické vlastnosti polovodičov. Pri zmene ich miesta však pôvodne navrhnutá štruktúra zaniká a súčiastka prestáva fungovať.
„Elektromigrácia je všeobecne vnímaná ako obrovské negatívum,“ objasnil Markvicka. „Je to jedna z prekážok, ktorá zabránila miniaturizácii elektroniky. Používame ju tu jedinečným a skutočne pozitívnym spôsobom. Namiesto toho, aby sme sa tomu snažili zabrániť, prvýkrát ju využívame na vymazanie stôp, o ktorých sme si mysleli, že sú trvalé.“
V umelom „svale“ tento mechanizmus vytvorí „jazvu“ a tak ho pripraví reagovať na budúce „zranenie“. Obvod, ktorý tepelnou interakciou opravil poškodenie, sa pomocou elektromigrácie stane nevodivým.
Výskumníci úspešne overili samoliečiacu schopnosť „svalu“ pomocou zámerne vytvorených rezov aj prepichnutí. Na tom istom mieste sa im podarilo „vyliečiť“ až šesť poškodení.
Pohyb aj pre postihnutých
Aj keď je použitie samoopravných svalov prínosom pre rôzne druhy robotov, v prípade takzvaných „exoskeletov“ môže ísť o skutočný prielom.
Ide o mechanické zariadenie pripojiteľné na vonkajšiu časť tela človeka a schopné podporiť jeho pohyb. Môže ísť o vojaka, záchranára alebo robotníka, ktorý tak získa prídavnú mechanickú silu. Takýto prístroj však dokáže pomôcť aj ľudom postihnutým paralýzou svalov či príslušných nervov, a teda neschopných samostatného pohybu.
Najnovšiu generáciu takýchto „odevov“ konštruujú z mäkkých materiálov, ktoré sú kompatibilnejšie s ľudským telom práve pre ich podobnosť biologickému tkanivu. Majú nielen nižšiu hmotnosť, ale umožňujú oveľa väčší rozsah pohybov. Menej odolné materiály sa však môžu aj ľahšie poškodiť.
Práve dlhodobé „nosenie“ elastických exoskeletov, používaných nielen ako rehabilitačná pomôcka urýchľujúca uzdravenie, ale aj ako kompenzačný nástroj pre trvalo postihnutých, môže podliehať zvýšenému nebezpečenstvu „nehody“ umelých svalov.
Ak by sa poškodený mechanizmus dokázal sám „vyliečiť“, pacient by ušetril čas návštevy servisu aj dočasné nepohodlie spôsobené jeho nefunkčnosťou.