Воздушные мышцы

Воздушные мышцы очень легкие, поскольку их основной элемент — тонкая мембрана. Это позволяет напрямую подключать их к конструкции, которую они приводят в движение, что особенно важно при замене неисправной мышцы: её местоположение всегда известно, а сама замена становится проще. Это значимое свойство, так как мембрана соединяется с жёсткими концами, где концентрируются напряжения, что в некоторых случаях может привести к разрыву мембраны.

Другим преимуществом воздушных мышц является их врождённая податливость: при приложении внешнего усилия мышца деформируется, не увеличивая силу действия. Это важно при использовании воздушных мышц в качестве приводов для роботов, взаимодействующих с человеком, или при выполнении деликатных операций.

Сила воздушной мышцы зависит не только от давления воздуха, но и от степени её надувания, что относится к главным преимуществам этой технологии: математическая модель работы воздушных мышц представляет собой нелинейную систему, что, по мнению ряда специалистов, облегчает её точное управление по сравнению с традиционными пневмоцилиндрами. Соотношение между силой и удлинением в воздушных мышцах аналогично длина-напряжение в биологических мышцах.

Сжимаемость газа также добавляет системе гибкости. Как и для других пневматических систем, для работы воздушных мышц обычно требуются электрические клапаны и генераторы сжатого воздуха.

Структура рыхлой оплётки позволяет воздушным мышцам быть гибкими и имитировать биологические системы. В случае сильного повреждения наружных волокон и их неравномерного распределения может появиться зазор, и тогда внутренняя камера способна выдавиться наружу и разорваться. Как и во всех пневматических системах, эксплуатация повреждённых агрегатов недопустима.

Хотя эта технология в основном использует пневматический (газовый) привод, нет никаких принципиальных ограничений для работы с гидравлическим (жидкостным) приводом. Использование несжимаемой жидкости увеличивает жёсткость системы и уменьшает её податливость.

В 2017 году компания Bridgestone совместно с Токийским технологическим институтом представила такую конструкцию, чьё отношение мощности к весу, по их оценкам, оказалось в 5–10 раз выше по сравнению с обычными электродвигателями и гидравлическими цилиндрами^[3].

В апреле 2018 года в Ливорно (Италия) состоялась первая международная конференция IEEE по мягкой робототехнике (RoboSoft), ставшая важной вехой в развитии отрасли. Мероприятие объединило исследователей из областей робототехники, материаловедения и биологии для обсуждения достижений в создании мягких роботов и их компонентов, включая пневматические приводы^[4].

В этом году был представлен ряд новых конструкций. В октябре в журнале PLoS ONE была опубликована работа, посвящённая моделированию и управлению «обратными» пневматическими искусственными мышцами (rPAMs)^[5]. Также была продемонстрирована модель пневмомышцы с высоким коэффициентом сокращения (40–65 %), изготовленная из текстиля или пластика. Её конструкция позволяла интегрировать датчики для отслеживания давления и смещения^[6].

Среди других разработок — линейный пневматический привод, напечатанный на 3D-принтере и предназначенный для контроля положения, силы и жёсткости^[7], а также мягкий пневматический привод для использования в качестве тактильного носимого устройства для людей с ампутацией верхних конечностей^[5]. В журнале Actuators вышли статьи, посвящённые улучшению характеристик пневмомышц, в том числе с помощью генетических алгоритмов^[7].

В 2019 году продолжилось развитие технологии, с акцентом на интеграцию сенсорных систем и практическое применение в медицине. Исследователи из Лаборатории мягкой робототехники и бионики Сеульского национального университета (SNU) разработали сенсоризированные плоские пневматические искусственные мышцы (англ. sensorized flat pneumatic artificial muscles, sFPAM). В их конструкцию были встроены микрофлюидные датчики для обратной связи, имитирующие мышечное чувство в биологических системах. Эта работа была удостоена награды за лучшую статью на международной конференции IEEE RoboSoft 2019, а также стала заглавной темой номера журнала Soft Robotics в августе 2019 года.

Были предложены новые конструкции изгибных пневматических мышц: один из вариантов использовал неравномерное распределение армирующих нитей, а другой, схожий с пневматическими сетями (англ. pneu-nets), — поперечные канавки для управления изгибом^[8].

Технология нашла применение в носимых устройствах и медицине. В июне 2019 года был представлен экзоскелет для поддержки спины, использующий пневмомышцы для помощи рабочим при поднятии тяжестей. Испытания показали, что он снижает мышечную активность на 20–30 %^[9]. В июле того же года был описан мягкий пневматический робот в виде «червя» (SPID), предназначенный для проведения колоноскопии^[10].

В 2020 году исследования в области воздушных мышц были сосредоточены на улучшении их управляемости, разработке новых методов изготовления и интеграции с сенсорными системами^[11].

Значительное внимание уделялось созданию точных математических моделей для прецизионного управления. В частности, была опубликована работа, посвящённая техникам измерения и оценки объёма пневмомышцы — ключевого параметра для разработки статических моделей её поведения^[12]. В обзорах отмечались такие инновации, как использование многокомпонентной 3D-печати для создания пневматических приводов со сложной интегрированной функциональностью^[11].

Ключевым направлением стала интеграция датчиков для получения обратной связи. На конференции IEEE в 2020 году была представлена работа по использованию оптоволоконных сенсоров для оценки длины пневматической мышцы, что стало шагом к созданию «умных» искусственных мышц^[11][13]. Обзорные статьи также выделяли потенциал технологии в производственных и электронных приложениях^[11].

В 2021 году разработки были сосредоточены на создании новых конструкций, расширении применения в медицинской реабилитации и систематизации накопленных знаний через обзорные научные статьи.

Одной из ключевых разработок стала сверхлёгкая гибридная пневматическая искусственная мышца (англ. Ultralight Hybrid Pneumatic Artificial Muscle, UH-PAM), работающая на основе вакуума. Согласно статье, опубликованной в журнале PLoS ONE, прототип весом 20 грамм показал способность к сокращению до 50 % и мог поднять груз в 3 кг^[14].

Активно развивалось применение пневмомышц в медицине. В журнале Scientific Reports была опубликована работа по созданию и тестированию мягкого параллельного робота для реабилитации запястья, предназначенного для помощи пациентам после инсультов и травм^[15]. Кроме того, вышел подробный обзор носимых реабилитационных устройств для плечевого сустава, в котором значительное внимание уделялось приводам на основе пневмомышц^[16].

В этом году также был опубликован ряд обзорных статей. Исследователи из Satbayev University выпустили обзор, посвящённый применению пневмомышц в биороботах, медицине, промышленности и аэрокосмической сфере^[17]. Другая работа была посвящена анализу существующих математических моделей, описывающих поведение пневмомышц, что является критически важным для их точного управления^[18].

В 2022 году разработки были сфокусированы на создании новых типов приводов и их интеграции в робототехнические системы.

В августе инженеры из Итальянского технологического института в Генуе представили новый тип мягкого пневматического актуатора, изготовленного методом 3D-печати. Актуатор имеет вид мембраны с продольными складками, которая при нагнетании воздуха сжимается в продольном направлении. Согласно статье, опубликованной в журнале Science Robotics, образец весом 6 грамм смог поднять груз весом 1 кг. В качестве демонстрации технологии была создана роборука с 18 актуаторами, напечатанная за один проход^[19].

В ноябре студенты Новосибирского государственного технического университета (НГТУ НЭТИ) разработали собственные искусственные мышцы и интегрировали их в робота гуманоидного типа, адаптировав 3D-модели, изначально рассчитанные на электромоторы^[20][21]. Разработка была позиционирована как образовательная платформа для изучения робототехники, механики и пневматики^[20].

Также в 2022 году в журнале Известия РАН. Теория и системы управления вышла обзорная статья, в которой рассматривались различные типы приводов, включая пневматические, и их применение в мягких экзоскелетах, а также приводилась классификация искусственных мышц.

В 2023 году исследования были сосредоточены на улучшении управляемости пневмомышц и их применении в мягкой робототехнике. Ключевым достижением стала разработка адаптивного контроллера на основе нечёткой логики (англ. adaptive fuzzy sliding mode controller, AFSMC), представленная исследователями из Технологического института Сибаура и Ханойского университета. Этот метод позволил значительно повысить точность отслеживания траектории и адаптивность систем на базе пневматических искусственных мышц (англ. Pneumatic Artificial Muscles, PAM), что открывает перспективы для их использования в реабилитационной медицине и протезировании^[22].

Также продолжались исследования фундаментальных свойств пневмомышц. В частности, в журнале Actuators была опубликована работа, посвящённая нелинейному динамическому анализу их поведения^[23]. В том же издании вышла обзорная статья о применении пневмоприводов в роботах для реабилитации голеностопного сустава^[24]. В области мягких манипуляторов были представлены новые конструкции, например, бистабильный привод, имитирующий венерину мухоловку, описанный в журнале Biomimetics^[25]. В целом, пневматические приводы, включая технологии пневматических сетей (англ. PneuNets), оставались ключевым элементом для создания мягких роботизированных захватов, предназначенных для манипуляции с хрупкими предметами^[26][27].

В 2024 году разработки в области воздушных мышц были направлены на повышение мобильности робототехнических систем, улучшение управляемости и создание новых компонентов для промышленной автоматизации.

На международной конференции IEEE по мягкой робототехнике (RoboSoft 2024) была представлена портативная система питания phloSAR (англ. portable high-flow source and regulator), решающая проблему зависимости пневматических роботов от громоздких внешних компрессоров^[28]. Эта лёгкая (0,84 кг) и компактная система позволяет создавать полностью автономные и мобильные устройства, что открывает перспективы для их использования в полевых условиях, например, в поисково-спасательных операциях^[28].

На Международной конференции по динамике многокомпонентных систем (англ. IMSD 2024) исследователи представили метод для синхронизации работы нескольких мягких пневматических приводов в захватных устройствах^[29]. Подход, основанный на оптимизации, позволяет согласовать движение «пальцев» робота, что значительно повышает надёжность удержания предметов^[29].

В промышленном секторе компания Emerson анонсировала выпуск новых компонентов. В июле была представлена серия пневматических клапанов AVENTICS™ Series XV, предназначенных для заводской автоматизации и отличающихся высокой скоростью потока воздуха при компактных размерах^[30]. В мае компания также представила пропорциональные клапаны AVENTICS Series 625 Sentronic, которые обеспечивают высокую точность управления давлением (отклонение менее 0,5 %)^[31].