Дорогостоящие экзоскелеты сменят «текстильные мышцы»

Дорогостоящие экзоскелеты сменят «текстильные мышцы»

Ученые отчитались о создании уникального материала, способного заменить или дополнить функционал человеческой мышечной ткани.

Knitted_Muscles_Replace_Exosceletons_Human_LivesИсследовательской группе из Швеции удалось создать по-настоящему уникальный структурный материал, технически напоминающий обычную ткань, однако практически способный частично или полностью заменить человеческие мышцы. Уникальность разработки состоит в возможности контролировать «спазмы» искусственных мышц при помощи легкого электрического разряда, направленного в конкретную часть электроактивной структуры. Перспективы, раскрывающиеся перед учеными в рамках запуска широкомасштабного производства новинки, поистине огромны — названное создателями «текстильными мышцами» изобретение сможет заменить дорогостоящие экзоскелеты и механические протезы, необходимые людям с ограниченными физическими возможностями. Современная медицина фактически научилась сегодня ставить на ноги больных, полностью лишившихся возможности ходить самостоятельно, однако для этого требуется изготовление очень дорогих и зависимых от внешних источников энергии протезов и тяжелых экзоскелетов. Швейцарская разработка помогает решить сразу несколько проблем, резко ограничивающих возможности нуждающихся в таких приспособлениях больных ввиду их высокой стоимости и сопровождающих эксплуатацию этих приспособлений технических ограничений.

Сначала напомним о принципе действия экзоскелета — каркасной конструкции, заменяющей собой комбинацию из человеческого скелета и мышц. Работу роботизированного устройства обеспечивают установленные на стыках сервомоторы, с помощью сжатого воздуха или электричества приводящие в движение нужные части экзоскелета в необходимой последовательности. Управляет маленькими моторчиками мини-компьютер, при помощи специально разработанного программного обеспечения имитирующий движения скелета человека при ходьбе и выполнении рутинных операций — поднятии предметов, преодолении препятствий или спуске по лестничной клетке. Главная сложность создания экзоскелета — ограниченное время работы конструкции, облегчающей жизнь лишенного способности передвигаться самостоятельно человека, которое зависит от емкости интегрированного в него источника питания в виде аккумуляторной батареи. Существующие на рынке модели способны предложить весьма ограниченную автономность, исчисляющуюся десятками минут и в редких случаях несколькими часами работы, чего не хватает для полноценной жизни в современном обществе нуждающимся в роботах-помощниках людей с ограниченными возможностями.

Частично эту проблему удалось решить специалистам из двух шведских Университетов, расположенных в Борасе и Линчепинге. Согласно обнародованной на страницах научного издания Science Advanced информации, исследователи путем покрытия обычной ткани электроактивным материалом сымитировали структуру человеческих мышц, фактически создав его механическую копию. Принцип действия «текстильных мышц» основан на электромеханических свойствах электроактивного материала — при прохождении слабого электрического тока через волокна происходит химическая реакция, «вынуждающая» нити увеличивать длину. В состоянии спокойствия такой электропроводящий материал имитирует процесс «стягивания» мышечной ткани, обеспечивая способность облаченного в нее человека или роботизированного устройства поднимать тяжести. В рамках проведенных в лабораторных условиях исследований специалистам во главе с Эдвином Джагером удалось «заставить» кусочек такой ткани поднять небольшой груз, что вселяет в ученых уверенность в скором создании настоящего заменителя биологических мышц. Ключевая особенность изобретения — потенциальная дешевизна создания «тканевых экзоскелетов», способных выполнять те же задачи при значительно меньшем энергопотреблении. Плюс ко всему, масса «экзоодежды» окажется куда меньше, чем его металлического и полноразмерного «собрата».

Конструкционно и по принципу действия «тканевая мышца» представляет собой миниатюрный силовой привод, требующий минимум энергии для выполнения возложенной на него функции. Маленькие размеры и малый вес — не единственные достоинства «суперткани». По словам Нильс-Кристера Перссона, доцента Шведской Школы Текстиля и соавтора исследования, дальнейшее усовершенствование созданного в лаборатории материала позволит добиться большей силы стягивания, то есть обеспечить перспективу поднятия сопоставимого с мощными сервомоторами веса. Для этого предполагается соткать «тканевую мышцу» из плотно переплетенных и формирующих сложную структуру волокон, один-в-один напоминающую сформировавшейся в организме человека мышечной ткани. По сути, исследовательской группе удалось перенести особенности работы человеческого организма и его отдельных частей на «небиологическую» основу, как это ранее сделали разработчики экзоскелета. Подбор более крепких волокон, поиск их оптимальной длины для достижения максимального механического усилия и создание программы управления для принципиально нового вида ткани откроют перспективы для появления выполненной из «искусственной мышцы» одежды. Текстильная накидка и сшитые из электроактивных нитей штаны заменят невероятно тяжелые и значительно более дорогие роботизированные конструкции медицинского назначения.

В ближайшее время авторы исследования планируют провести ряд уникальных практических экспериментов, которые помогут усовершенствовать уже разработанную механику имитации работы мышц с помощью текстиля. Главный компонент изобретения — специальный состав, покрывающий нити, о способе получения которого шведские ученые делиться с общественностью пока не спешат. Потенциальные покупатели технологии изготовления «текстильных мышц» — медицинские учреждения, специализирующиеся на реабилитации получивших повреждения опорно-двигательного аппарата и центральной нервной системы пациентов клиник, и оборонные ведомства разных стран. Разработка мобильных технических приспособлений, усиливающих физические действия военнослужащего в процессе выполнения боевого задания или на марше, то есть облегчающих перемещение военных на большие расстояния с одновременной транспортировкой тяжелых грузов, сегодня ведется множеством стран, включая Соединенные Штаты Америки. Полученные учеными устройства, «расширяющие» физические возможности военнослужащих, отличаются высокой стоимостью и очень ограниченной автономностью, тогда как дальнейшее развитие изобретения ученых из Швеции позволяет решить обе проблемы одновременно.

Андрей Александров