Ученые из Наньянского технологического университета в Сингапуре (NTU Singapore) разработали инновационную носимую ткань, которая является гибкой, но может становиться жесткой по мере необходимости.
Новая технология RoboFabric, разработанная путем сочетания геометрического проектирования, 3D-печати и роботизированного управления, может быстро применяться в медицинских устройствах или мягкой робототехнике , например, в конечностях для дронов.
Исследовательская группа NTU разработала локтевую опору из универсального материала, помогающую людям переносить более тяжелые грузы. Также был создан прототип опоры для запястья, которая может помочь стабилизировать суставы для повседневной деятельности и принести пользу пациентам с болезнью Паркинсона, испытывающим дрожь.
Первым шагом в создании запатентованной технологии, вдохновленной чешуей панголинов и броненосцев, которая сцепляется, образуя защитный панцирь, является сложный математический алгоритм, который проектирует систему взаимосвязанных плиток.
Затем напечатанные на 3D-принтере плитки соединяются между собой с помощью металлических волокон, проходящих через крошечные каналы между ними, или с помощью внешнего мягкого корпуса, для которого требуется постоянное применение отрицательного давления воздуха или вакуума.
При сжатии волокон плитки сцепляются и становятся жестче, что увеличивает жесткость RoboFabric более чем в 350 раз и обеспечивает дополнительную прочность и устойчивость.
Согласно выводам исследовательской группы, опубликованным в журнале Advanced Materials, мышечная активность человека может быть снижена на 40%, если устройство помогает суставам при подъеме грузов.
Ведущий ученый, доцент Ван Ифань из Школы машиностроения и аэрокосмической техники NTU, сказал: «Мы были вдохновлены тем, как животные часто выполняют несколько функций в своих конечностях за счет использования сложных структур, во многом похожих на изменение формы и жесткости у осьминогов».
«Мы предполагаем, что в будущем пациенты, которым требуется гипсовая повязка при переломах, смогут изготовить гибкую опору для конечностей, которая будет похожа на ткань, прежде чем станет жесткой. В отличие от обычных жестких и несъемных повязок, их также можно будет легко надевать и снимать одним нажатием кнопки. При ежедневном использовании опоры для суставов также могут помочь пожилым людям в их повседневных задачах, помогая снизить мышечную силу, необходимую для более тяжелых нагрузок», — добавил профессор Ван, который также работает в Центре исследований робототехники NTU.
Для индивидуальной настройки поддержки сустава 3D-скан запястья или локтя загружается в фирменное программное обеспечение , с помощью которого специальный алгоритм может автоматически разбить 3D-модель на десятки геометрических плиток, которые можно напечатать на 3D-принтере всего за час.
Затем металлические волокна необходимо продеть через отверстия между плитками и подключить к электрическому устройству, которое может быстро натягивать или ослаблять кабели.
В настоящее время этот процесс натяжки струн выполняется вручную, но команда утверждает, что в будущем его можно будет автоматизировать, подобно тому, как ракетки для бадминтона перетягиваются с помощью машины.
Давая независимый комментарий относительно технологии RoboFabric, доцент Ло Ён Джу, руководитель и старший консультант отделения реабилитационной медицины больницы Тан Ток Сенг (TTSH), сказал, что изобретение NTU имеет определенные перспективы для применения в реабилитационной медицине.
«Эта технология может быть потенциально полезна в ряде случаев, например, для людей с травмами суставов, поскольку она может позволить безопасно регулировать диапазон движений во время восстановления.
«Для людей со слабостью моторики верхних конечностей, например, для пациентов, перенесших инсульт, RoboFabric может оказать поддержку при выполнении некоторых функциональных задач», — сказал профессор Лох, который также является директором по клиническим инновациям в TTSH.
«Кроме того, люди с двигательными расстройствами, такими как болезнь Паркинсона, могут извлечь пользу из стабильности, которую обеспечивает RoboFabric, стабилизируя траекторию движения для безопасного выполнения функциональных задач. Если в будущем его адаптировать для применения на колене, он может даже служить стабилизирующим ортозом для улучшения походки и предотвращения падений».
Полезно для роботов и дронов
RoboFabric также может применяться в робототехнике. В своей последней исследовательской работе, опубликованной в Science Robotics , команда профессора Вана демонстрирует крошечного робота, сделанного из тонких волнообразных плиток, запечатанных в эластичную оболочку.
При применении вакуума RoboFabric переходит в заданную форму и становится жестким. И наоборот, при снятии вакуумного давления он расслабляется в мягкое состояние.
Это приведение в действие жесткости и смягчения позволяет маленькому роботу лазать как червь или плавать в воде, перенося небольшие грузы или защищая хрупкие активы, образуя вокруг них жесткую оболочку. Эти возможности важны для исследовательских и спасательных роботов, которым необходимо перемещаться по сложным ландшафтам и обеспечивать защиту по требованию.
В другой демонстрации четыре таких робота объединяются, чтобы сформировать роботизированный захват на дроне. Когда он становится жестким, мягкий захват сворачивается и может поднимать небольшие предметы, подобно машине-когтю. Чтобы уронить предметы, он расслабляется.
Захват также выполняет функцию амортизирующей подушки при жестких посадках, когда он сворачивается. Несмотря на мягкость, захваты можно сложить в корпус дрона, и это не повлияет на его полетную функцию.
Команда изучает возможности сотрудничества с отраслевыми партнерами, которые проявили интерес к этой технологии, и надеется на сотрудничество с ними для проведения испытаний по развертыванию в секторах здравоохранения и робототехники, поскольку эта разработанная в Сингапуре технология предлагает новые решения для медицинской поддержки и расширяет функциональные возможности беспилотников или исследовательских роботов.