Инженер Эрик Марквичка вместе с аспирантами Итаном Крингсом и Патриком Макманигалом недавно представили доклад на Международной конференции IEEE по робототехнике и автоматизации в Атланте, штат Джорджия, в котором излагается подход на системном уровне к технологии мягкой робототехники, которая может идентифицировать повреждение от прокола или экстремального давления, точно определить его местоположение и автономно инициируйте самовосстановление.

Статья вошла в число 39 из 1606 представленных материалов, отобранных в качестве финалиста премии ICRA за лучшую работу 2025 года. Она также стала финалистом премии за лучшую студенческую работу и в категории "Механизм и дизайн".

Стратегия команды может помочь преодолеть давнюю проблему при разработке систем мягкой робототехники, которые используют принципы проектирования, вдохновленные природой.

"В нашем сообществе наблюдается огромный толчок к воспроизведению традиционных жестких систем с использованием мягких материалов и огромное движение в сторону биомимикрии", - сказали Марквицка, Роберт Ф. и Мирна Л. Крон, доцент кафедры биомедицинской инженерии. "Несмотря на то, что нам удалось создать растягивающуюся электронику и приводы, которые являются мягкими и конформными, они часто не имитируют биологию в своей способности реагировать на повреждения и затем инициировать самовосстановление".

Чтобы восполнить этот пробел, его команда разработала интеллектуальную самовосстанавливающуюся искусственную мышцу с многослойной архитектурой, которая позволяет системе идентифицировать и локализовать повреждение, а затем запустить механизм самовосстановления - и все это без внешнего вмешательства.

"Человеческое тело и животные удивительны. Мы можем получить порезы и ушибы, а также довольно серьезные травмы. И в большинстве случаев, при очень ограниченном внешнем применении бинтов и лекарств, мы можем многое вылечить самостоятельно", - сказала Марквицка. "Если бы мы могли воспроизвести это в синтетических системах, это действительно изменило бы сферу и то, как мы думаем об электронике и машинах".

"Мышца" команды - или исполнительный механизм, часть робота, которая преобразует энергию в физическое движение, - состоит из трех слоев. Нижний слой - слой обнаружения повреждений - представляет собой мягкую электронную оболочку, состоящую из микрокапель жидкого металла, встроенных в силиконовый эластомер. Эта кожа приклеена к среднему слою, самовосстанавливающемуся компоненту, который представляет собой жесткий термопластичный эластомер. Сверху находится приводной слой, который запускает движение мышц под давлением воды.

Чтобы начать процесс, команда индуцирует пять контрольных токов через нижнюю "кожу" мышцы, которая подключена к микроконтроллеру и чувствительной цепи. Прокол или повреждение этого слоя давлением приводит к образованию электрической сети между следами. Система распознает этот электрический след как свидетельство повреждения и впоследствии увеличивает ток, проходящий через вновь сформированную электрическую сеть.

Это позволяет этой сети функционировать как локальный джоулев нагреватель, преобразующий энергию электрического тока в тепло вокруг участков повреждения. Через несколько минут это тепло расплавляет и перерабатывает средний слой термопластика, который герметизирует повреждение, эффективно заживляя рану.

Последним шагом является возврат системы в исходное состояние путем удаления электрического следа повреждения нижнего слоя. Для этого команда Марквицки использует эффекты электромиграции - процесса, при котором электрический ток заставляет атомы металла мигрировать. Это явление традиционно рассматривается как помеха в металлических цепях, поскольку движущиеся атомы деформируются и вызывают зазоры в материалах схемы, что приводит к выходу устройства из строя.

В рамках крупной инновации исследователи используют электромиграцию для решения проблемы, которая долгое время мешала их усилиям по созданию автономной, самовосстанавливающейся системы: кажущаяся неизменность электрических сетей в нижнем слое, вызванных повреждениями. Без возможности сброса базовых данных мониторинга система не сможет выполнить более одного цикла устранения повреждений и ремонта.

Исследователям пришло в голову, что электромиграция - с ее способностью физически разделять ионы металлов и вызывать обрыв цепи - может быть ключом к стиранию вновь образовавшихся следов. Стратегия сработала: путем дальнейшего увеличения тока команда может вызвать механизмы электромиграции и теплового сбоя, которые сбрасывают сеть обнаружения повреждений.

"Электромиграция, как правило, рассматривается как огромный негатив", - сказала Марквицка. "Это одно из узких мест, которое препятствовало миниатюризации электроники. Здесь мы используем это уникальным и действительно позитивным образом. Вместо того чтобы пытаться предотвратить это, мы впервые используем его, чтобы стереть следы, которые раньше считали постоянными".

Технология автономного самовосстановления потенциально способна произвести революцию во многих отраслях промышленности. В сельскохозяйственных штатах, таких как Небраска, это могло бы стать благом для робототехнических систем, которые часто сталкиваются с острыми предметами, такими как ветки, шипы, пластик и стекло. Это также могло бы революционизировать носимые устройства для мониторинга состояния здоровья, которые должны выдерживать ежедневный износ.

Эта технология также принесла бы пользу обществу в более широком смысле. Срок службы большинства потребительских электронных устройств составляет всего один или два года, что приводит к образованию миллиардов фунтов электронных отходов каждый год. Эти отходы содержат токсины, такие как свинец и ртуть, которые угрожают здоровью человека и окружающей среде. Технология самовосстановления могла бы помочь остановить этот прилив.

"Если мы сможем начать создавать материалы, способные сносно и автономно определять, когда произошло повреждение, а затем запускать эти механизмы самовосстановления, это действительно будет преобразующим", - сказала Марквицка.