Традиционное представление о роботах как о жестких, неуклюжих металлических машинах постепенно уходит в прошлое, уступая место технологиям, вдохновленным живой природой. В рамках научного интервью на канале Event Horizon ведущий Джон Майкл Годье обсудил с профессорами Университета Карнеги — Меллона Кармелем Маджиди и Мохаммадом Исламом перспективы активно развивающейся области мягкой робототехники (Soft Robotics). Ученые подробно рассказали о создании биосовместимых датчиков, самовосстанавливающихся жидких металлов и концепции «невидимых» технологий, способных совершить революцию в медицине, океанографии и освоении глубокого космоса.
🐙 Источники вдохновения: способна ли наука превзойти эволюцию? 2:58
Главным источником вдохновения для инженеров в области мягкой робототехники остаются природные организмы, среди которых особое место занимают осьминоги. Кармель Маджиди подчёркивает, что ключевое свойство этих существ — их феноменальная универсальность, адаптивность и многофункциональность. Современные жесткие роботы и близко не могут подойти к тому диапазону возможностей, который демонстрирует живая природа.
Впрочем, вопрос о том, может ли человечество превзойти эволюционные механизмы, остаётся открытым и вызывает дискуссии среди экспертов. Кармель Маджиди утверждает, что на протяжении всей истории люди создавали технологии, не имеющие аналогов в биологии: яркими примерами служат авианосцы, реактивные пассажирские самолеты (jumbo jet) и современные вычислительные системы, чьи возможности многократно превосходят природные организмы. Однако главным недостатком человеческих разработок остаётся их узкая специализация: они создаются под одну конкретную задачу и лишены гибкости живых существ.
Мохаммад Ислам предлагает смотреть на эту проблему с двух сторон:
- Преимущество природы: Эволюция проводила свои «эксперименты» на протяжении миллионов и миллиардов лет. За это время она совершила множество ошибок и нашла способы их исправления. Кроме того, природа обладает колоссальным резервуаром доступных материалов, к которым у человека просто нет доступа.
- Преимущество науки: Люди способны анализировать готовые эволюционные решения, выбирать лучшие из них и направлять разработку напрямую, минуя бесконечный процесс слепых проб и ошибок.
🩺 Мягкая медицина: от умных пластырей до биогибридных имплантов 6:32
Одним из наиболее перспективных направлений применения мягких роботов является медицина, поскольку традиционная жесткая робототехника плохо подходит для взаимодействия с живыми тканями. Металлы слишком громоздки, не обладают нужной гибкостью и способны вызывать серьезный иммунный ответ организма. Мягкие материалы, напротив, обладают механической податливостью, идентичной естественным биологическим тканям.
Разрабатываемые в лабораториях Карнеги — Меллона технологии обещают качественно изменить медицинскую помощь по нескольким направлениям:
- Физиологический мониторинг: Создание тонких, легких и эластичных датчиков, которые крепятся на кожу подобно обычным наклейкам. Такие устройства могут непрерывно измерять уровень сахара в крови или отслеживать уровень физической активности. При этом датчики обладают способностью к самовосстановлению (self-repair): при повреждении структура залечивает себя сама, продолжая функционировать.
- Моторная помощь и ассистирование: Создание мягких экзоскелетов для реабилитации людей, перенесших инсульт или имеющих иные двигательные нарушения. Аналогичные системы могут применяться на тяжелых производствах — например, в распределительных центрах интернет-магазинов, помогая сотрудникам перемещать коробки и снижая нагрузку на суставы.
- Минимально инвазивная хирургия: Интеграция мягких материалов в хирургические инструменты для проведения операций внутри тела, что расширяет возможности врачей и минимизирует травматизацию.
Что касается долговечных имплантов (например, искусственных тазобедренных суставов), способных самостоятельно ремонтироваться внутри тела, то здесь Мохаммад Ислам призывает к реализму. По его мнению, создание полноценных внутренних жестких структур с функцией самовосстановления потребует очень много времени. В краткосрочной же перспективе его исследовательская группа совместно с Кармелем Маджиди разработала концепт адаптивного медицинского гипса. Такой каркас может менять свою форму под конкретного пациента (для фиксации руки, шеи или лодыжки), обеспечивая индивидуальную поддержку, после чего материал можно использовать повторно.
Параллельно развивается направление биогибридной инженерии (biohybrid engineering). Кармель Маджиди прогнозирует, что импланты следующего поколения будут сочетать в себе синтетические мягкие материалы и живые биологические клетки. В такой концепции искусственная мягкая архитектура будет выполнять роль каркаса (scaffold), поддерживающего рост и адаптацию живой ткани.
🧠 Физический интеллект: как материалы «думают» без процессора 13:25
Создание мягких роботов меняет подход к вычислениям. Вместо исключительного использования классических цифровых компьютеров и микросхем, исследователи опираются на концепцию «физического» или «воплощенного» интеллекта (physical / embodied intelligence). Это означает, что сам материал является машиной: его молекулярная структура и внутреннее устройство позволяют реагировать на изменения внешней среды без использования логических вентилей.
Материал способен самостоятельно улавливать давление, прикладываемую силу, геометрию объекта, а также изменения температуры и влажности, после чего он автономно меняет свои свойства или выполняет механическое действие. В качестве биологического примера Мохаммад Ислам приводит планктон: отдельные организмы в океане реагируют на физические течения, собираются вместе в единую вращающуюся сферу для эффективного поиска пищи, а после истощения ресурсов рассредоточиваются и собираются в новые структуры. Мягкая робототехника использует аналогичный принцип модульных строительных блоков, способных собираться и разбираться для прохождения через микроскопические отверстия и каналы.
Тем не менее, традиционная микроэлектроника не исчезнет полностью. В лаборатории Кармеля Маджиди в мягкие системы интегрируют миниатюрные микроконтроллеры, которые не добавляют конструкции жесткости, но отвечают за выполнение высокоуровневых команд — например, заставляют робота двигаться к конкретной цели или поднять определенный предмет.
💧 Реальность «Терминатора»: управляемые жидкие металлы и изменение жесткости 18:36
Идея создания жидкого робота, подобного Т-1000 из кинематографа, сталкивается с фундаментальным инженерным парадоксом. С одной стороны, полностью жидкая или желеобразная машина способна проникать в самые труднодоступные места. С другой стороны, такие субстанции лишены механической целостности: они не могут нести нагрузку или оказывать давление на окружающую среду.
Чтобы решить эту проблему, ученые копируют механизмы морских огурцов и осьминогов, которые используют специальную фиксационную соединительную ткань (catch connective tissue) для мгновенного изменения жесткости своего тела от желеобразного состояния до твердого. Благодаря этому осьминог способен протиснуться в узкую щель, а затем развить достаточное усилие, чтобы открыть банку или вырваться из пасти хищника.
Инженеры реализуют этот принцип двумя путями:
- Магнитные композиты: Внедрение магнитных микрочастиц в мягкую матрицу. Под воздействием внешнего поля материал может быть жидким для перемещения, но мгновенно затвердевать для выполнения работы. Например, такой робот может проникнуть в желудок человека, принять форму проглоченного инородного предмета, затвердеть, зафиксировать его и быть выведенным наружу с помощью внешнего магнитного поля.
- Жидкие металлы: Исследования Кармеля Маджиди сфокусированы на металлических сплавах (на основе галлия), которые остаются жидкими при комнатной температуре. С помощью дистанционного электромагнитного воздействия ученые могут вызывать сверхбыстрый фазовый переход металла из жидкого состояния в твердое и обратно, управляя грузоподъемностью робота.
🔬 Материалы будущего: искусственные мышцы и световые скелеты 22:32
В качестве основы для создания искусственных мышц активно применяется нитинол (Nitinol) — сплав никеля и титана, обладающий эффектом памяти формы. Под воздействием тепла или электрического тока нитиноловая проволока (которую называют «мышечной проволокой») резко сокращается подобно живой мышце, одновременно переходя из мягкого состояния в жесткое. Также ученые используют жидкокристаллические эластомеры (Liquid Crystal Elastomers, LCE) — полимерные материалы, которые можно печатать на 3D-принтере и заставлять сокращаться под действием тепла или электричества. Из них уже создаются мягкие роботы-морские звезды, адаптивные захваты и тактильные интерфейсы.
Мохаммад Ислам отмечает, что перспективным мировым трендом является управление жесткостью полимеров с помощью света. Изменяя химическую сшивку (cross-linking) молекул световыми волнами определенной длины, можно заставлять полимер твердеть, а под действием волны другой длины — деполимеризоваться и переходить в жидкое состояние. Это позволяет буквально «выращивать» временные жесткие скелеты прямо внутри жидкой среды при помощи направленного луча света, а затем бесследно их растворять.
Создание идеальной искусственной мышцы остается одной из главных задач робототехники, поскольку ни одна существующая технология пока не способна одновременно сочетать в себе силу, масштабируемость и контролируемую гибкость человеческих мускулов. Пневматические и гидравлические приводы показывают отличные результаты по силе и изменению жесткости, но они жестко привязаны к громоздкому внешнему оборудованию — компрессорам, насосам и клапанам. Текущие исследования направлены на создание полностью беспроводных, автономных мягких актуаторов, питающихся от небольших бортовых батарей или внешних источников энергии вроде тепла и света.
🌌 Экстремальные среды: мягкие роботы на дне океана и в глубоком космосе 29:34
Использование мягких роботов в океанографии сопряжено с колоссальным давлением воды. Большинство мягких материалов по своей природе сжимаются и деформируются под внешней нагрузкой. Кроме того, по словам Мохаммада Ислама, серьезной проблемой в жидкой среде становится деградация клеевых соединений, из-за чего компоненты роботов могут просто развалиться. Решение этих задач пока находится на стадии фундаментальных исследований.
В то же время космическое пространство предлагает уникальные возможности для применения мягких материалов. Кармель Маджиди напоминает, что так называемые «мягкие товары» (soft goods) использовались в космонавтике с самого её зарождения. Например, частная компания ILC Dover в рамках лунной программы Apollo создавала для NASA не только знаменитые гибкие скафандры, но и надувные тканевые структуры.
В будущем мягкая робототехника в космосе будет развиваться по следующим направлениям:
- Трансформируемые модули: Создание космических обитаемых станций и палаток, которые в сложенном виде занимают минимальный объем в ракете-носителе, а при развертывании на поверхности планеты значительно расширяются.
- Биомиметические исследователи: Роботы-змеи или роботы-черви для перемещения по сверхсложному рельефу (например, для исследования ледяных океанов спутника Юпитера Европы), где колесные планетоходы застрянут.
- Орбитальный ремонт: Проекты по обслуживанию и починке спутников прямо на орбите. Использование мягких податливых захватов позволяет аккуратно фиксировать спутник без риска повредить его хрупкие элементы и без необходимости внедрения сложнейших систем машинного зрения — захват сам принимает форму ремонтируемого объекта.
В качестве иллюстрации универсальности ученые приводят эксперимент с жидким сплавом, заправленным магнитными частицами: субстанция способна затечь в любое отверстие или стык и затвердеть, превратившись в крепежный винт нужной формы, что исключает необходимость в наборе стандартных отверток.
👤 Роботы через 50 лет: исчезающие технологии и киборгизация человека 36:00
Представление обывателей о том, что роботы будущего обязательно должны быть антропоморфными андроидами, эксперты считают ошибочным. Мохаммад Ислам выражает убежденность в том, что через полвека практическая полезность и утилитарность полностью вытеснят стремление копировать человеческую форму. Роботы превратятся в узкоспециализированные устройства. Прообразом этого процесса можно считать обычные фитнес-трекеры вроде Fitbit: они выполняют огромный объем роботизированных функций, но никто не воспринимает их как классических роботов.
Главным трендом будущего Кармель Маджиди называет создание «незаметных» или «неощутимых» роботизированных систем (imperceptible robotic systems). Цель инженеров — сделать роботов частью повседневной среды и одежды человека, чтобы они функционировали без когнитивной нагрузки на пользователя и не стесняли его движений. Это будут ультратонкие, миниатюрные, легкие и гибкие элементы, встроенные в ткань. Они помогут корректировать осанку, облегчат подъем тяжестей пожилым людям или поддержат младенцев, абсолютно не напоминая при этом гуманоидных машин.
Отвечая на вопрос о психологических барьерах вроде эффекта «зловещей долины» и потенциальной киборгизации человечества, Маджиди проводит аналогию со смартфонами. По его мнению, современное общество уже частично превратилось в коллективный разум (Борг из фантастических вселенных), поскольку люди круглосуточно поглощены социальными сетями и не выпускают экраны из рук. Обществу придется пройти через этап чрезмерной зависимости от робототехники, но в конечном итоге индустрия придет к балансу — технологии станут незаметными помощниками, не отвлекающими внимание.
Мохаммад Ислам резюмирует эту мысль историческим примером с очками. Если бы человек, живший 15 000 лет назад, увидел нашего современника в очках, он был бы шокирован этим искусственным приспособлением на лице. Сегодня же это абсолютная норма. Точно так же элементы мягкой робототехники со временем гармонично интегрируются в нашу физиологию и станут привычной частью человеческого тела.
