Мягкая робототехника долгое время сталкивалась с серьезным ограничением: чтобы привести в действие гибкие конечности или создать тактильную отдачу в одежде, требовались громоздкие компрессоры или жесткие насосы. Инженеры из Бристольского университета предложили решение, способное изменить облик современных устройств. Они создали крошечный насос LIMA, который по размеру едва превышает горошину, но при этом полностью заменяет тяжелые механические системы. Эта разработка открывает путь к созданию по-настоящему легких и гибких роботов, которые смогут работать автономно без подключения к внешним источникам сжатого воздуха.

 

Как горошина меняет правила игры в робототехнике

Новое устройство, получившее название LIMA (сокращение от жидкометаллического магнитогидродинамического насоса), весит всего 0,2 грамма. Для сравнения: это легче стандартного листа бумаги. При этом насос работает от сверхнизкого напряжения — менее 0,1 вольта. Такая энергоэффективность позволяет интегрировать его в самые компактные гаджеты, где раньше просто не хватало места для традиционных моторов.

Главная особенность LIMA заключается в отсутствии движущихся частей. Внутри устройства находится капля жидкого металла. Когда через нее пропускают электрический ток, возникает сила Лоренца. Она заставляет металл двигаться, создавая поток жидкости или газа внутри системы. Высокая электропроводность и способность металла менять форму без потери герметичности делают этот насос идеальным «сердцем» для мягких машин.

 

Преимущества жидкого металла перед твердыми деталями

Традиционные системы мягкой робототехники напоминают скелет человека, к которому прикрепили тяжелый рюкзак с компрессором. Это ограничивало мобильность и делало устройства зависимыми от проводов или массивных аккумуляторов. LIMA решает эту проблему за счет трех ключевых факторов:

• Миниатюризация. Насос можно встроить непосредственно внутрь робота или на запястье человека;
• Гибкость. Жидкий металл не ломается при изгибе, в отличие от твердых клапанов и поршней;
• Многофункциональность. Одно устройство передает не только давление, но и электрические сигналы, выступая в роли проводника и насоса одновременно.

Исследователи подчеркивают, что использование внутренних свойств металла позволяет избежать высоких напряжений, опасных для носимой электроники. Это делает технологию безопасной для прямого контакта с кожей.

 

От крыльев бабочки до виртуальной реальности

Чтобы доказать работоспособность концепции, инженеры собрали несколько прототипов. Один из них — миниатюрные крылья робота-бабочки, которые взмахивают при подаче сигнала на насос. В другом эксперименте был создан браслет, меняющий цвет в зависимости от давления жидкости.

Особый интерес вызывает применение технологии в тактильных интерфейсах. Исследователи разработали мягкий нарукав с кармашком на кончике пальца. Благодаря LIMA, нарукав может сжиматься, имитируя ощущение прикосновения или сопротивления в виртуальной среде. Это может найти применение в медицине, например, для дистанционной реабилитации или создания более реалистичных тренажеров.

Список возможных применений включает:

1. Устройства «лаборатория на чипе» для экспресс-анализа крови.
2. Роботизированную одежду, помогающую людям с ограниченными возможностями передвигаться.
3. Микроскопические инструменты для экологического мониторинга в труднодоступных местах.
4. Съедобных роботов для безопасного исследования внутри пищеварительной системы.

Каждый из этих сценариев требует миниатюрного и надежного источника давления, которым теперь и выступает LIMA.

 

Технические детали магнитогидродинамического принципа

Принцип работы насоса основан на взаимодействии электрического тока и магнитного поля. Внутри замкнутого контура находится жидкий металл. Когда инженеры подают слабый ток, металл начинает вибрировать и перемещаться под действием электромагнитной силы. Эта вибрация передается рабочей жидкости, заставляя ее циркулировать.

Поскольку жидкий металл обладает крайне низким сопротивлением движению, почти вся энергия преобразуется в полезную работу. В обычных электромагнитных насосах значительная часть энергии теряется в виде тепла, но в LIMA этот показатель минимален. Также стоит отметить, что устройство может работать в двух режимах: как мощный насос для перемещения больших объемов жидкости и как точный клапан для микродозирования.

 

Перспективы автономных систем будущего

Джонатан Росситер, профессор робототехники и соавтор работы, сравнивает LIMA с компактным сердцем для будущих поколений машин. По его словам, способность объединять в одном модуле перекачивание жидкости, передачу энергии и обмен данными — это «святой грааль» для разработчиков мягких систем. Раньше им приходилось устанавливать отдельные блоки для каждой из этих задач, что утяжеляло конструкцию.

Исследование, опубликованное в журнале Nature Communications, подтверждает, что технология готова к масштабированию. В ближайшее время инженеры планируют сосредоточиться на создании «умных» бандажей, которые могли бы автоматически менять степень сжатия в зависимости от состояния пациента, и роботизированной ткани для экипировки спасателей.

Конечно, до массового производства еще далеко. Необходимо решить вопросы долговечности материалов и стоимости производства жидкого металла в промышленных масштабах. Однако сам факт создания работающего прототипа весом в доли грамма говорит о том, что индустрия сделала огромный шаг вперед. В будущем роботы перестанут напоминать жесткие механизмы, а станут по-настоящему гибкими и органичными помощниками человека.