Инженеры разработали миниатюрный насос на основе жидкого металла, размер которого сопоставим с горошиной. Это устройство способно сделать мягких роботов более лёгкими, компактными и подвижными. Новый низковольтный насос предназначен для портативных мягких робототехнических систем и носимых устройств.
Ирина Медведева
Робот-бабочка крупным планом с подсветкой LIMA. Источник: Saba Firouznia/University of Bristol
Роботам не стать мягкими из-за жестких насосов-сердец
Специалисты из Бристольского университета создали насос из жидкого металла, который по габаритам напоминает горошину. Он способен заменить громоздкие компрессоры, используемые в мягких роботах и носимой электронике, что сделает будущие системы более лёгкими, удобными для переноски и гибкими.
Устройство, получившее название LIMA (жидкометаллический магнитогидродинамический насос), весит всего 0,2 грамма и функционирует при напряжении менее 0,1 вольта.
По словам исследователей, эта технология может применяться для приведения в действие мягких роботизированных систем — от роботизированных конечностей и тактильных носимых гаджетов до медицинских инструментов и интерфейсов виртуальной реальности.
Современные мягкие роботы часто зависят от жёстких насосов или крупных пневматических установок, которые ограничивают их подвижность и мобильность.
Команда из Бристоля создала насос LIMA, чтобы преодолеть эти ограничения, используя жидкий металл для преобразования электрической энергии в движение жидкости.
Для демонстрации возможностей технологии исследователи изготовили роботизированные крылья бабочки, браслет, способный менять цвет, а также тактильный мешочек на кончиках пальцев, соединённый с браслетом, который сжимается, имитируя ощущения прикосновения.
Насос — миниатюрный, но шаг вперед — огромный
Работа насоса основана на перемещении капель жидкого металла через магнитное поле. Когда электрический ток проходит через эти капли, возникает сила Лоренца, которая толкает металл вперёд и назад, создавая насосное действие внутри системы.
Исследователи отметили, что высокая проводимость, способность к деформации и низкое сопротивление движению жидкого металла позволяют устройству работать при крайне низких напряжениях, сохраняя при этом полезные показатели давления и скорости потока.
«Это поистине захватывающая разработка, которая устраняет существующие проблемы громоздкости и предлагает нечто миниатюрное, портативное и более адаптируемое», — заявила Саба Фирузния, научный сотрудник Лаборатории мягкой робототехники Бристольского университета.
«Эти улучшенные характеристики означают, что насос можно использовать для повышения эффективности уже существующих приложений, например устройств типа „лаборатория на кристалле“ для диагностики заболеваний, а также для создания совершенно новых, от микронасосов для роботизированной одежды до крошечных приводов для отбора проб окружающей среды. Возможности действительно безграничны».
Учёные полагают, что компактная система может ускорить разработку автономных мягких роботов и адаптивных носимых технологий, которым требуются лёгкие встроенные насосные системы.
Однако коммерциализация технологии потребует решения ряда инженерных задач. Жидкий металл — это сплав галлия, индия и олова, который при длительной работе может окисляться или просачиваться через микротрещины в мягких материалах.
Исследователи из Бристоля сейчас работают над инкапсуляцией насоса и созданием замкнутых контуров с минимальным испарением и утечками. Кроме того, предстоит повысить КПД и износостойкость: на данный момент насос демонстрирует стабильную работу в течение нескольких часов, но для промышленного применения потребуются тысячи циклов.
Тем не менее, даже в текущем виде LIMA уже доказывает, что мягкий робот может быть не просто забавной игрушкой, а полноценным, сильным и управляемым устройством.
Больше мягкости в носимых устройствах
В отличие от обычных мягких насосов, которые часто используют громоздкое или высоковольтное оборудование, насос LIMA объединяет передачу энергии, движение жидкости и сигнализацию в единой мягкой платформе.
«В отличие от стандартных мягких насосов, которые зачастую применяют громоздкие, жёсткие или высоковольтные компоненты, в LIMA используются свойства, присущие жидкому металлу», — пояснила Фирузния.
Исследователи отметили, что насос способен передавать не только гидравлическую, но и химическую энергию, а также информационные сигналы по мягким жидкостным сетям, что расширяет его потенциал для интеграции в многофункциональные роботизированные системы.
Джонатан Росситер, профессор робототехники Бристольского университета и соавтор исследования, охарактеризовал эту технологию как компактное «сердце» будущих роботизированных систем.
«Важно подчеркнуть, что насос LIMA действует как мягкое, компактное „сердце“ роботизированных систем, сочетая в себе функции перекачки, сигнализации и передачи энергии на единой низковольтной платформе», — сказал Росситер.
Как утверждает interestingengineering.com, особый интерес представляет способность насоса не только перекачивать жидкость, но и передавать информационные сигналы. В мягких роботах, где традиционная электроника зачастую чужеродна, жидкий металл может выполнять роль одновременно мускула и нерва. Меняя частоту пульсаций или направление потока, можно кодировать команды для удаленных частей системы.
Например, браслет, меняющий цвет, сжимается в ответ на сигнал от датчика на пальце — и вся эта цепочка замыкается без единого жесткого провода. Такая интеграция приближает нас к созданию по-настоящему «живых» интерфейсов, где устройство перестает быть механическим рабом и становится продолжением тела, реагирующим на малейшие изменения среды или намерения пользователя.
В контексте носимых технологий и виртуальной реальности насос LIMA предлагает решение давней проблемы тактильной обратной связи.
Современные VR-перчатки громоздки и используют вибромоторы, которые дают лишь грубое ощущение удара или вибрации. Система на основе миниатюрного насоса способна создавать тонкие, градуированные ощущения: легкое дуновение ветра, сжатие пальцев при взятии предмета, пульсацию, имитирующую сердцебиение.
Мешочек на кончике пальца, как показали эксперименты, может сжиматься с различной силой и скоростью, передавая не просто факт касания, а его качество — мягкость, твердость, упругость. Это открывает путь к созданию по-настоящему иммерсивных интерфейсов, где пользователь не только видит и слышит цифровой мир, но и чувствует его кожей.
Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Communications.
Колоссальные возможности и перспективы
Разработка насоса LIMA знаменует собой сдвиг в самой философии проектирования мягких роботов. Раньше инженеры были вынуждены мириться с компромиссом: либо система оставалась гибкой и легкой, но лишенной мощного привода, либо она получала необходимую силу за счет тяжелых внешних компрессоров и жестких трубок.
Теперь, когда сердце системы весит 0,2 грамма и помещается на кончике пальца, открывается дорога к созданию полностью автономных мягких машин. Они смогут ползать по узким проходам во время спасательных операций, изменять свою жесткость для захвата хрупких предметов или даже работать внутри человеческого тела, не травмируя ткани.
Низкое напряжение делает насос безопасным для контакта с кожей и биологическими средами, что критически важно для медицинских применений — от управляемых катетеров до имплантируемых дозаторов лекарств.
Заглядывая в будущее, можно представить целые экосистемы, построенные на таких насосах. «Умные» бинты, которые не только закрывают рану, но и подают антисептик или стимулируют кровоток. Роботизированная одежда, которая помогает мышцам восстанавливаться после травм или усиливает движения рабочих на производстве. Съедобные роботы для доставки лекарств внутри желудочно-кишечного тракта.
Каждое из этих применений требует компактного, безопасного и энергоэффективного привода — именно ту нишу и заполняет насос LIMA.
Возможно, через несколько лет мягкие насосы станут таким же привычным компонентом, как аккумуляторы или микроконтроллеры, и тогда границы между живым и неживым, между человеком и машиной начнут стираться еще быстрее.
О мягких роботах, напечатанных на 3D-принтере из особого геля, доставляющих лекарства в нужную точку внутри организма или проводящих биопсию, мы рассказывали нашим читателям. А также представляли внешне похожее на медузу новое устройство для выполнения медицинских задач, включая транспортировку лекарств, визуализацию внутренних органов и навигацию в теле пациента.
А еще мы писали про разработанный специалистами Чикагского университета автономный эластичный пластырь, имитирующий свойства кожи, способен с 99,6-процентной точностью диагностировать фатальные нарушения сердечного ритма за миллисекунды.