Американские инженеры разработали мягкий и складной роботизированный манипулятор, закрепляемый на поясе. Он приводится в движение с помощью надуваемых сегментов и способен помогать человеку в повседневной жизни, к примеру, держать предметы и тем самым освобождать руки. Авторы статьи выступят с докладом на конференции ICRA 2019.
Большинство разработчиков носимых роботизированных рук создают их для людей с потерянными конечностями или нарушениями двигательных функций. Но некоторые инженеры выбирают совершенно другой подход и предлагают применять такие устройства для расширения функций организма. К примеру, дополнительную руку предлагают использовать военным для повышения точности стрельбы, а некоторые инженеры даже предлагают использовать сразу две дополнительные руки, управлять которыми может удаленный оператор. Но все эти концепты имеют недостатки, мешающие их использованию. Например, зачастую их нельзя сложить и они занимают много места, а некоторые из них не имеют мотора или другого двигательного механизма.
Инженеры под руководством Панагиотиса Полигериноса (Panagiotis Polygerinos) из Университета штата Аризона разработали носимую мягкую складную роборуку с пневматическим механизмом движения. Принцип ее действия основан на расширении частей руки благодаря повышению давления в них. Роборука состоит из трех сегментов, расположенных последовательно, каждый из которых, в свою очередь, состоит из трех подсегментов, расположенных параллельно и образующих треугольник. Подсегменты состоят из множества герметичных полимерных карманов, подключенных к трубке и закрепленных на общей подложке. Движение роборуки основано на том, что при надувании карманов воздухом через трубку они расширяются и заставляют всю конструкцию изгибаться, потому что они закреплены на общем основании. Три подсегмента в каждом сегменте позволяет выбирать произвольное направление изгиба руки.
Одно из преимуществ роборуки перед аналогами заключается в том, что ее можно сложить и уменьшить в длину в два раза. Инженеры создали поясную сумку, из которой при надобности можно достать сложенный манипулятор и начать им пользоваться. Разработчики считают, что наиболее удобное применение роборуки — поддержка предметов. К примеру, они показали, как рука может держать рюкзак или футбольный мяч, в то время как руки человека остаются свободными.
Инженеры показали применимость манипулятора на практике, измерив его силовые характеристики. Полностью распрямленная и расположенная параллельно полу роборука оказалась способна поднимать предметы массой до килограмма, закрепленные на конце манипулятора. В случае, если она удерживает предмет над собой и прижимает его к телу, она способна поддерживать груз массой выше 11 килограммов. Авторы статьи отмечают, что это соответствует примерно десяти собственным массам роборуки.
Инженеры и ученые занимаются не только совершенствованием технической стороны подобных устройств, но и изучением их взаимодействия с человеком. В прошлом году японские исследователи экспериментально доказали, что люди способны одновременно управлять своими собственными руками и дополнительной роборукой, причем даже если они выполняют руками и манипулятором задачи разного типа.
Григорий Копиев
Его чешуя играет роль нагревательного элемента
Инженеры разработали и испытали прототип миниатюрного робота для биомедицинских целей, который управляется внешним магнитным полем и может выступать как нагревательный элемент в медицинских процедурах. Конструкция робота состоит из гибкого полимера с магнитными частицами и верхнего слоя с чешуей из алюминиевых пластин. Робот может адресно доставлять лекарства, останавливать внутренние кровотечения и помогать удалять опухоли. Статья опубликована в журнале Nature Communications. В последние годы активно развивается направление медицины, связанное с разработкой инструментов для малоинвазивной хирургии и адресной доставки лекарств внутри организма. Для этих задач отлично подходят миниатюрные роботы, управление которыми происходит с помощью внешнего магнитного поля. Оно свободно проникает через биологические ткани и позволяет управлять магнитными объектами в теле пациента с высокой точностью. Кроме контроля за положением инструмента в пространстве, магнитное поле может также использоваться и для его дистанционного нагрева, например, чтобы провести процедуры коагуляции крови для остановки внутренних кровотечений или для уничтожения опухолей. Однако, для этого робот должен иметь проводящие металлические элементы в конструкции, которые способны выделять джоулево тепло при воздействии высокочастотного переменного магнитного поля. Прототип такого робота разработали инженеры под руководством Метина Ситти (Metin Sitti) из Института интеллектуальных систем Общества Макса Планка. Робот имеет прямоугольную форму 10 на 20 миллиметров толщиной 0,2 миллиметра. Он состоит из мягкого полимерного слоя из полидиметилсилоксана с включенными в него магнитными частицами и слоя алюминиевой чешуи толщиной 50 микрометров, которая состоит из вырезанных с помощью лазера пластин, закрепленных на полимерном слое таким образом, что каждый следующий элемент частично перекрывает предыдущий. Размещение металлических элементов, по словам авторов, напоминает расположение пластин, которыми покрыто тело панголина. Такая конструкция позволяет сохранить деформируемость, присущую мягким роботам, и одновременно увеличивает размер дистанционно нагреваемой области. Нагрев пластин свыше 70 градусов Цельсия происходит с помощью переменного электромагнитного поля частотой 344 килогерц за время менее 30 секунд. Помимо медицинского назначения, повышение температуры можно использовать для изменения свойств робота. Например, при нагреве свыше температуры Кюри можно перевести магнитные частицы, заключенные в полимерную матрицу в парамагнитное состояние, и, тем самым, отключить робота. Он больше не будет реагировать на управляющее магнитное поле, которое в это время будет воздействовать, например, на второго робота. Также на лету можно изменять профиль намагниченности — распределение направлений векторов намагниченности частиц вдоль полимерной пластины. С помощью этого можно менять характер движений робота. Например, при гармоническом профиле намагниченности робот во внешнем магнитном поле будет изгибаться, сворачиваясь в трубку. Благодаря этому он может захватывать и перемещать внутри себя объекты. Разработчики провели несколько опытов, используя желудок и кишечник свиньи в качестве модельных объектов, чтобы продемонстрировать биомедицинские возможности нового робота. Например, они показали остановку внутреннего кровотечения из открытой раны с помощью коагуляции крови возле нее нагревом. Другая способность робота заключается в доставке нескольких объектов в разные пункты назначения. Для этого пластины металлического слоя, к которым с помощью пчелиного воска с температурой плавления около 62 градусов Цельсия прикрепляют объекты, должны иметь разную толщину. Тогда они будут нагреваться до температуры плавления воска с разной скоростью, позволяя сбрасывать переносимые грузы отдельно в нужных точках. https://www.youtube.com/watch?v=nczejRLuliU Ранее мы рассказывали о разработанной инженерами MIT системе для дистанционного проведения хирургических эндоваскулярных операций. В ней также используется внешнее магнитное поле для управления магнитным хирургическим инструментом внутри кровеносных сосудов.