Мягкая робототехника, в отличие от традиционных жестких роботов, изготавливается из гибких материалов, имитирующих движения живых организмов. Такая гибкость делает их идеальными для перемещения в труднодоступных местах, таких как завалы в зоне бедствия или запутанные пути человеческого тела. Однако интеграция датчиков и электроники в эти гибкие системы представляет собой серьезную проблему, по словам Хуанью "Ларри" Ченга, Джеймса Л. Хендерсона-младшего, адъюнкт-профессора инженерных наук и механики в университете Пенсильвании.

"Самой большой проблемой на самом деле было сделать его умным", - сказал Ченг, соавтор исследования команды, опубликованного в журнале Nano-Micro Letters. "Для большинства приложений soft robotics была системой односторонней связи, что означает, что они полагаются на внешнее управление для навигации в сложных средах. Нашей целью было интегрировать интеллектуальные датчики, чтобы эти роботы могли взаимодействовать с окружающей средой и работать с минимальным вмешательством человека".

Основным фактором, делающим этих роботов умнее, является интеграция гибкой электроники, которая обеспечивает их ключевые функции.

"Мы хотели спроектировать систему, в которой мягкая робототехника и гибкая электроника будут плавно работать вместе", - сказал Ченг. "Традиционная электроника является жесткой, что затрудняет интеграцию. Наше решение состояло в том, чтобы распределить электронные компоненты таким образом, чтобы сохранить гибкость робота при сохранении высокой производительности".

Ченг и его команда сняли видео с роботами в действии, запечатлев их динамичное поведение, когда они ползают и сворачиваются в клубок, чтобы двигаться по простому маршруту. Роботы перемещаются с использованием магнитотвердых материалов, встроенных в их гибкую конструкцию, что позволяет роботам предсказуемо реагировать на внешнее магнитное поле. Регулируя силу и направление поля, исследователи могут управлять движениями роботов, такими как сгибание, скручивание или ползание, без встроенного питания или физических подключений, таких как провода.

Основным препятствием при разработке этой технологии было выяснение того, как сделать так, чтобы гибкая электроника не препятствовала движению робота.

"Несмотря на то, что мы спроектировали электронику так, чтобы она была гибкой, ее жесткость все равно в сотни-тысячи раз больше, чем у мягкого роботизированного материала", - сказал Ченг. "Чтобы преодолеть это, мы распределили электронику по всей конструкции, уменьшив ее влияние на движение".

Другой проблемой было блокирование нежелательных электрических помех, которые могут нарушить работу электронного устройства или системы. Эти помехи исходят от внешних источников, таких как другая электроника или беспроводные сигналы. Такие помехи могли бы затруднить движение и повлиять на работу датчика.

"Магнитные поля имеют решающее значение для управления движением, но они также могут нарушать электронные сигналы", - отметил Ченг. "Нам пришлось тщательно спроектировать электронную компоновку, чтобы свести к минимуму эти взаимодействия, гарантируя, что датчики оставались функциональными даже в присутствии сильных магнитных полей".

Сведя к минимуму магнитные помехи, роботы могут управляться дистанционно с помощью электромагнитных полей или ручных магнитов, что ограничивает необходимое им вмешательство человека. Кроме того, встроенные датчики позволяют им автономно реагировать на сигналы окружающей среды. Например, в поисково-спасательных операциях они достаточно умны, чтобы ориентироваться в обломках, обнаруживая тепло или препятствия. В медицинских целях они могут реагировать на изменение рН или давления, обеспечивая точную доставку лекарств или точный отбор проб.

Следующим шагом для команды Ченга является усовершенствование технологии для таких приложений, включая создание "таблетки-робота".

"Одно из самых интересных потенциальных применений - это имплантируемые медицинские устройства", - сказал соавтор Сук-Вон Хван, доцент Высшей школы конвергентной науки и технологии Корейского университета. "Мы работаем над миниатюризацией системы, чтобы сделать ее пригодной для биомедицинского использования. Представьте себе небольшую роботизированную систему, которую можно проглотить, как таблетку, перемещаться по желудочно-кишечному тракту и выявлять заболевания или доставлять лекарства именно туда, где они необходимы".

По мнению исследователей, такая технология могла бы стать менее инвазивной альтернативой традиционным диагностическим процедурам, таким как биопсия, собирая данные непосредственно от пациента в режиме реального времени.

"Благодаря встроенным датчикам эти роботы могли бы измерять уровень рН, обнаруживать отклонения и даже доставлять лекарства в точные места внутри организма", - объяснил Ченг. "Это означает меньшее количество инвазивных операций и более целенаправленное лечение, улучшающее результаты лечения пациентов".

Ченг сказал, что он также предвидит будущее применение в лечении сосудов.

"Если мы сможем сделать этих роботов еще меньше, их можно будет вводить в кровеносные сосуды для лечения сердечно-сосудистых заболеваний или доставлять лекарства непосредственно в пораженные участки", - сказал Ченг. "Это открыло бы совершенно новые возможности для неинвазивного медицинского лечения".

Хотя команда еще не дала этим роботам официального названия, Ченг сказал, что они открыты для предложений.

"Это хорошее предложение", - сказал он со смехом. "Возможно, нам следует привлечь общественность к их присвоению".