Расцвет самовосстанавливающихся роботов
В лаборатории Небраски инженер Eric Markvicka и его команда учат роботов лечить себя — разрабатывают электронную кожу, которая чувствует, кровоточит и восстанавливается как живая ткань.
Медицинские процедуры не подходят для роботов, но лучшим решением будет наделить их чем-то вроде инстинкта самоисцеления. Эта идея побудила к новым исследованиям в Университете Небраски-Линкольна, где Eric Markvicka, доцент кафедры биомедицинской инженерии, возглавляет команду, которая разработала электронную кожу, способную автоматически самовосстанавливать порезы и проколы — так же, как биологические механизмы заживления, обнаруженные у людей.
Большинство роботов покрыты твердыми оболочками для предотвращения повреждений, а не мягкими материалами, такими как кожа.
«Это потому, что более мягкие материалы могут быть легко повреждены, — говорит Markvicka. — Но что, если бы мы могли дать роботам мягкую оболочку, которая могла бы обнаружить повреждение и начать самовосстановление?»
Этот вопрос вдохновил на создание системы, которая может обнаруживать повреждения, вырабатывать тепло для их заживления и восстанавливать его нормальную структуру — и все это без вмешательства человека.
«Наш организм использует сосудистую сеть для перекачки и доставки материалов в эти области, где начинается формирование рубцовой ткани, — пояснил Markvicka. — Как мы можем сделать это с помощью синтетических систем?»
Решение его группы заключается в создании интеллектуальной самовосстанавливающейся электронной кожи, способной распознавать физические повреждения и реагировать на них в режиме реального времени. Исследование команды, представленное на Международной конференции IEEE по робототехнике и автоматизации (ICRA), было признано финалистом среди ведущих мировых заявок — сигнал о том, насколько новаторской может быть эта концепция для следующего поколения робототехники.
Наука о коже
Электронная кожа состоит из нескольких слоев, способных обнаруживать, локализовать и восстанавливать поврежденные места. Ключевым элементом является слой обнаружения повреждений, изготовленный из электроизолирующего эластомера с вкраплениями капель жидкого металла. Когда кожа проколота, эти капли сливаются и образуют электрическую сеть, которая точно определяет место повреждения.
«Это формирование электрической сети — то, что мы можем идентифицировать с помощью традиционных цифровых схем, — сказал Markvicka. — Это позволяет нам обнаруживать и локализовать повреждение внутри этой кожи».
Как только повреждение обнаружено, система использует свойство, которое обычно считается слабым местом в электронике — электромиграцию. При пропускании тока через вновь образованные проводящие пути жидкий металл нагревается, переводя кожу в фазу плавления, которая снова запечатывает прокол.
«Электромиграция и тепловой сбой часто рассматриваются как основные проблемы, которые вы пытаетесь смягчить, — сказал Markvicka. — Но мы поняли, что на самом деле мы можем использовать это как огромное преимущество — начать перезагружать эту электрическую сеть».
После завершения процесса электрическая сеть возвращается в исходное изолированное состояние, как будто ничего не произошло.
«В некоторых более традиционных системах электрическая сеть была необратимо модифицирована, — сказал он. — То, что мы создаём, может полностью восстановиться».
Чтобы протестировать конструкцию, команда Markvicka наклеила самовосстанавливающуюся кожу на пневматические приводы — мягкие роботизированные компоненты, которые расширяются и сокращаются подобно мышцам. В ходе одного из экспериментов исследователи наполнили систему красной жидкостью под давлением, чтобы визуализировать повреждение.
«Мы наполняем систему красной жидкостью под давлением, чтобы помочь вам увидеть это повреждение, показывая, что в некотором смысле робот кровоточит — и тогда вы можете это исправить», — сказал он.
Будущее автономного восстановления
Работа Markvicka может оказаться революционной в условиях, когда восстановление человеком невозможно, — от освоения космоса до сельского хозяйства и обороны.
«Мы представляем себе Министерство обороны на поле боя или в условиях ограниченных ресурсов, где отказ чего-либо становится катастрофой», — сказал он.
То же самое относится и к фермам Небраски, где роботы все чаще используются для автоматизации таких рутинных работ, как посадка и доение.
«В конечном итоге проколы или повреждения неизбежно возникнут, — сказал Markvicka. — Если мы сможем разработать роботов, которые смогут позаботиться о себе сами, мы сократим время простоя и продлим срок их службы».
Самовосстанавливающиеся материалы также имеют потенциал, выходящий за рамки робототехники. Электронная кожа может однажды преодолеть разрыв между жесткими носимыми устройствами и мягкими тканями человека.
Исследование, поддерживаемое Национальным научным фондом, программой NASA Nebraska EPSCoR и Фондом развития биомедицинских исследований, является частью более широкого движения по созданию более адаптивных и долговечных технологий. После почти шести лет экспериментов команда Markvicka продолжает совершенствовать способы самоконтроля и самовосстановления машин.
«Эта система представляет собой общий уровень, который можно применить к чему угодно, — сказал он. — Ее можно использовать даже в экзоскелетах».
Для Markvicka эта концепция одновременно философская и техническая: мир, где машины больше не зависят исключительно от нас в плане выживания.
«Крупные приложения — это имплантаты в человеческом теле, — сказал Markvicka. — Если какой-то имплант выходит из строя, его сложно или невозможно починить».
«В конечном счете, — сказал он, — мы создаем системы, которые поддерживают себя — так же, как и мы».
Статья Agam Shah с сайта Американского Общества машиностроителей ASME, 21 октября 2025 г.
Перевод подготовила Елена Михаленко
Печатная версия статьи из газеты «Вестник промышленности» №3(26) за 2025 год