Искусственная мышца

Несмотря на отсутствие общей теории сравнения приводов, существуют «силовые критерии» для технологий искусственных мышц, которые позволяют описывать и сопоставлять новые актуаторные технологии с естественными мышечными свойствами. Эти критерии включают напряжение, деформацию, скорость деформации, ресурс работы (цикл усталости) и модуль упругости. Некоторые авторы также рассматривают другие параметры, такие как плотность актуатора и разрешение деформации.

По показателю силы и удельной мощности многие типы искусственных мышц значительно превосходят биологические. Так, уже в 2014 году было продемонстрировано, что волокна из скрученных полимерных нитей (например, нейлоновой лески) способны поднимать груз в 100 раз тяжелее, чем человеческая мышца аналогичного размера^[4][5]. Примерно в тот же период были представлены микроприводы на основе диоксида ванадия, потенциальная мощность которых оценивалась как в 1000 раз превосходящая человеческую. К 2025 году этот разрыв увеличился: искусственная мышца на основе магнитного композита, разработанная в Ульсанском национальном институте науки и технологий (UNIST), смогла поднять вес, превышающий собственный примерно в 4000 раз^[6][7].

Тем не менее, ни один из существующих типов искусственных мышц не является наилучшим сразу по всем параметрам, и по многим ключевым характеристикам они уступают естественным аналогам^[8].

В этот период начались активные исследования в области 3D-печати искусственных мышц. В конце 2015 года исследовательская группа под руководством профессора Кван Кима из Университета Невады получила крупный грант на разработку усовершенствованных искусственных мышц из ионных полимер-металлических композитов — разновидности электроактивных полимеров (ЭАП)^[11]. Целью проекта, получившего широкое освещение в 2016 году, было создание многофункциональных материалов, способных выступать не только в роли приводов, но и в качестве датчиков для мягкой робототехники и бионических протезов^[12].

2016 год был отмечен созданием новых доступных материалов. Инженеры из Массачусетского технологического института (MIT) представили дешёвые и эффективные искусственные мышцы, созданные из обычных нейлоновых нитей^[13][14]. При нагревании такие волокна могли сокращаться и сгибаться, что открывало перспективы для их массового применения. В то же время исследователи из Гарвардского университета разработали новый диэлектрический эластомер, который, в отличие от предыдущих аналогов, не требовал предварительного растяжения^[15]. Этого удалось достичь благодаря сочетанию гибкого эластомера и электродов из углеродных нанотрубок^[15].

Фундаментальную основу для будущих разработок в этой области укрепило присуждение Нобелевской премии по химии 2016 года за проектирование и синтез молекулярных машин — микроскопических устройств, способных к контролируемому движению, которые рассматриваются как прообраз искусственных мышц на наноуровне^[16].

В этот период ключевыми направлениями исследований стали разработка электрогидравлических приводов и совершенствование технологий печати программируемых материалов.

В 2018 году были представлены гидравлически усиленные самовосстанавливающиеся электростатические приводы (HASEL — от англ. Hydraulically Amplified Self-Healing Electrostatic actuators). Эти устройства, использующие комбинацию электростатических и гидравлических принципов, способны к линейному сжатию и могут поднимать грузы, вес которых превышает их собственный более чем в 200 раз^[17]. Технология была отмечена как одно из главных достижений в робототехнике за год^[18]. В 2019 году исследовательская группа из Университета Колорадо в Боулдере представила усовершенствованную версию — High-Strain Peano-HASEL, которая достигла линейного сокращения до 24 %, что сопоставимо с показателями скелетных мышц человека^[19]. Благодаря высокой скорости и мощности приводы HASEL стали рассматриваться как перспективная основа для мягкой робототехники и реалистичных протезов^[20][21].

Параллельно значительное развитие получила технология использования жидкокристаллических эластомеров (LCE). В 2018 году были разработаны методы их 3D-печати, что позволило создавать приводы, способные поднимать значительно больший вес по сравнению с предыдущими аналогами^[17]. К 2019 году прогресс в этой области привёл к появлению программируемой 4D-печати^[22]. Новые методы позволили управлять ориентацией молекул непосредственно в процессе печати, заранее программируя сложные двигательные функции будущих устройств^[23].

В этот период исследования были сосредоточены на улучшении характеристик существующих технологий и создании новых многофункциональных материалов.

В 2021 году продолжилось совершенствование электроактивных полимеров (ЭАП): на профильных конференциях были представлены актуаторы с улучшенной производительностью, долговечностью (более 14 000 циклов) и низким рабочим напряжением^[24]. Также была предложена концепция жидкостных электроактивных полимеров (LEAP — от англ. Liquid Electroactive Polymers), представляющих собой диэлектрические жидкости в эластичных оболочках, что обеспечивает потенциал для больших деформаций и самовосстановления^[25].

2022 год был отмечен разработкой новых материалов. Исследовательская группа из Пхоханского университета науки и технологии (POSTECH) представила полимерный электролит с двойной связью (ионной и водородной), что позволило создавать одновременно прочные и быстрые приводы, решая проблему компромисса между механической прочностью и ионной проводимостью^[26]. В Корейском институте химических технологий (KRICT) были созданы светочувствительные искусственные мышцы на основе жидкокристаллических эластомеров, способные работать под водой под воздействием света^[27]. В России на базе Сеченовского университета была открыта лаборатория управляемых бионических систем для разработки полимерных актуаторов медицинского назначения^[28][29].

В 2023 году появились разработки с расширенной функциональностью. Учёные из Лондонского университета королевы Марии создали искусственную мышцу из углеродных нанотрубок и силикона, способную не только сокращаться, но и ощущать собственную деформацию без внешних датчиков^[30]. Специалисты Сеченовского университета, работая в созданной годом ранее лаборатории, представили гидрогелевые актуаторы, активируемые переменным током. В отличие от систем на постоянном токе, такой подход обеспечивает равномерный нагрев и предотвращает деградацию материала^[31]. Эти мышцы способны растягиваться до 60 % или сокращаться более чем на 20 %^[32].

Этот период ознаменовался разработкой многофункциональных материалов с рекордными показателями и новыми принципами активации. В 2024 году американская компания Clone Robotics представила прототип торса человекоподобного робота, в котором вместо традиционных электромеханических приводов используется система гидравлических сухожилий и мышц, что стало примером биомиметического подхода к созданию более естественных движений^[33][34].

2025 год был отмечен несколькими ключевыми достижениями. Группа учёных из Ульсанского национального института науки и технологий (UNIST) представила магнитную искусственную мышцу, способную переключаться из мягкого состояния в твёрдое и поднимать груз, вес которого превышает её собственный примерно в 4000 раз. В основе разработки лежит композитный материал из полимера с памятью формы и ферромагнитных частиц, что позволяет управлять его жёсткостью с помощью внешнего магнитного поля.

В том же году были представлены разработки с новыми функциональными возможностями. Инженеры из Университета Небраски-Линкольна создали искусственные мышцы, способные к самодиагностике и самовосстановлению. Трёхслойная структура материала позволяет обнаруживать повреждения (например, проколы) и автономно запускать процесс «заживления» путём локального нагрева^[35][36]. В свою очередь, исследователи из Швейцарской высшей технической школы Цюриха (ETH Zurich) разработали приводы, активируемые ультразвуком. Колебания микропузырьков в силиконовой мембране под действием ультразвуковых волн создают направленный поток жидкости, обеспечивая высокоточные и деликатные движения^[37].

В области аддитивных технологий швейцарская лаборатория Empa представила метод 3D-печати диэлектрических эластомерных актуаторов (DEA) из чередующихся слоёв проводящего и непроводящего силикона, которые сокращаются под действием электрического напряжения^[38][39].

Искусственные мышцы можно разделить на три основные группы в зависимости от механизма их работы^[1].

Электроактивные полимеры (ЭАП, EAP) — полимеры, которые приводятся в действие приложением электрического поля. Ведущими типами ЭАП являются пьезоэлектрические полимеры, диэлектрические актуаторы, электрострикционные сополимеры-эластомеры, жидкокристаллические эластомеры и сегнетоэлектрические полимеры. Хотя такие ЭАП способны изгибаться, их ограниченная способность к передаче крутящего момента препятствует широкому применению в роли искусственных мышц. Кроме того, отсутствие стандартизированных материалов для изготовления ЭАП-устройств затрудняет коммерциализацию. Тем не менее, с 1990-х годов отмечается значительный прогресс в этой области^[40].

Ионные ЭАП — это полимеры, активируемые за счёт диффузии ионов в электролитном растворе (помимо воздействия электрического поля). К современным примерам ионных электроактивных полимеров относятся полиэлектродные гели, иономерные полимерные металлические композиты (IPMC), проводящие полимеры, пирамеллитамидные гели и электромагнитореологические жидкости. В 2011 году было показано, что скрученные углеродные нанотрубки могут приводиться в движение электрическим полем^[41].

Пневматические искусственные мышцы (PAM) работают за счёт наполнения эластичных камер (баллонов) сжатым воздухом. При подаче давления внутрь баллона происходит расширение его объёма, но окружённая оплёткой камера превращает этот объём в линейное сокращение вдоль оси привода. Пневматические мышцы классифицируют по принципу работы и конструкции: по типу рабочего тела (пневматические/гидравлические), по признаку избыточного/пониженного давления, по присутствию оплётки или встроенных мембран, а также по характеру движущихся и перестраивающихся мембран. Один из самых известных и применяемых вариантов PAM — цилиндрически оплётка McKibben muscle, разработанная Дж. Л. МакКиббеном в 1950-х годах^[42].

Искусственные мышцы, изготовленные из обычной лески или швейных нитей, могут поднимать и развивать мощность, в 100 раз превышающую возможности человеческой мышцы той же длины и массы^[43].

В таких волокнах макромолекулы ориентированы вдоль оси волокна. Если волокно (например, полимерная леска или швейная нить из нейлона) изначально не скручено, то при нагреве оно сокращается примерно на 4 % при увеличении температуры на 250 K. Если волокно скрутить и намотать в спираль, то при нагреве спираль сжимается и может сокращаться до 49 %. Различные способы намотки позволяют добиться также удлинения до 69 % при нагреве.

Одно из применений термически активируемых искусственных мышц — автономное открывание и закрывание окон в зависимости от температуры без использования электроэнергии.

Миниатюрные искусственные мышцы из скрученных углеродных нанотрубок, заполненных парафином, обладают примерно в 200 раз большей мощностью по сравнению с человеческой мышцей^[44].

Сплавы с памятью формы (SMAs), жидкокристаллические эластомеры и другие металлические материалы, способные возвращаться в исходную форму после теплового воздействия, применяются как термоуправляемые искусственные мышцы. Такие приводы отличаются термостойкостью, ударопрочностью, малой плотностью, высокой усталостной прочностью и способностью развивать большие усилия при деформации. В 2012 году была продемонстрирована новая категория искусственных мышц, активируемых электрическим полем без электролита, — «скрученные волоконные актуаторы», основанные на тепловом расширении вторичного материала внутри электропроводящей структуры мышцы^[1][45]. Также было показано, что закрученная лента из диоксида ванадия может скручиваться и раскручиваться с пиковыми скоростями до 200 000 об/мин^[46].

Для различных типов искусственных мышц требуются разные системы управления, продиктованные их физическими ограничениями и задачами. Как правило, системы управления проектируются под конкретные цели эксперимента, включая гибридные подходы и комбинированное использование разных приводов, поэтому дальнейшее перечисление не исчерпывает весь спектр возможных схем управления.

Электроактивные полимеры (ЭАП) обладают меньшим весом, быстрой реакцией, высокой удельной мощностью и бесшумностью по сравнению с традиционными приводами^[47]. Электрические и ионные ЭАП, как правило, управляются с помощью замкнутых схем управления на основе обратной связи (feedback control loops)^[48].

В настоящее время существует два типа пневматических искусственных мышц (PAM): с одиночным баллоном, окружённым оплёткой, и с двойным баллоном.

Пневматические искусственные мышцы, обладая малым весом и невысокой стоимостью, отличаются высокой нелинейностью и подвержены флуктуациям свойств (например, температуры) во времени, что создаёт трудности для управления. Детали из резины и пластика в составе PAM при контакте друг с другом во время работы приводят к нагреву устройства и со временем вызывают необратимые изменения структуры мышцы. Проблема управления породила множество экспериментальных подходов: PID-регулирование, адаптивное управление, нелинейное оптимальное предсказательное управление, управление с переменной структурой, алгоритмы автоматической настройки и методы мягких вычислений, включая нейросетевое и нечёткое управление.

Особенность нелинейных PAM-устройств — в необходимости подбора управляющей схемы на основе экспериментальных данных и построения нечётких моделей поведения системы. Некоторые исследования используют модифицированные генетические алгоритмы для обучения нечётких моделей на парах «вход-выход», полученных с физической роборуки на основе PAM^[49].

В этом варианте внешний кожух содержит внутреннюю гибкую мембрану, разделяющую камеру на две части. К мембране крепится сухожилие, выходящее через кожух; воздух поступает во внутренний баллон и «выкатывает» его во внешний. Ключевое преимущество — отсутствие трения между баллоном и внешней оплёткой.

Искусственные мышцы из сплавов с памятью формы (SMA), несмотря на малый вес и способность развивать значительные усилия и перемещения, характеризуются гистерезисом «вход-выход» и ограничением по полосе пропускания. Явление фазового перехода в SMA гистерезисно: итоговое состояние зависит от истории нагрева. Кроме того, динамический отклик ограничен временем теплопереноса. Обычно применяют открытое (open-loop) или замкнутое (closed-loop) управление, используя, например, модель Прейзаха для описания гистерезиса либо методы анализа устойчивости обратной связи^[50].

Химомеханические полимеры, содержащие pH-чувствительные группы или селективные центры розпознавания химических соединений, могут выступать в роли актуаторов или сенсоров^[51]. Соответствующие гели обратимо набухают или сжимаются в ответ на такие сигналы. В полимеры можно внедрять элементы супрамолекулярного распознавания, чтобы получать отклик на металлические ионы, различные анионы, аминокислоты, сахара и др. Некоторые полимеры реагируют только в присутствии двух инициирующих веществ, работая как логические элементы^[52]. Такие материалы перспективны для адресной доставки лекарств. Введение светопоглощающих элементов позволяет управлять ими также фотохимически.

Технологии искусственных мышц находят широкое применение в биомиметических машинах, включая роботов, промышленные актуаторы и силовые экзоскелеты. Актуаторы на основе ЭАП сочетают лёгкость, низкое энергопотребление, упругость и подвижность, что обеспечивает преимущества для перемещения и манипуляции^[2]. В будущем технологии ЭАП планируется интегрировать в авиацию, автомобилестроение, медицину, робототехнику, мобильные системы, развлечения, анимацию, игрушки, одежду, интерфейсы тактильного отклика, шумопоглощение, трансдуцеры, генераторы энергии и интеллектуальные материалы^[3].

Помимо общих направлений, существуют конкретные примеры реализации технологий. В области регенеративной медицины ещё в 2015 году был предложен биосовместимый наноматериал для создания «заплаток» на сердечной мышце после инфаркта^[53]. Развитием этого направления стало открытие в 2022 году в Сеченовском университете лаборатории, целенаправленно занимающейся разработкой полимерных актуаторов для реабилитационной техники и имплантируемых устройств. В робототехнике искусственные мышцы применяются для создания более естественных движений и выполнения деликатных манипуляций. Так, в 2024 году компания Clone Robotics представила прототип торса человекоподобного робота, в котором используется система гидравлических сухожилий и мышц. Для высокоточных задач были созданы приводы, активируемые ультразвуком: в 2025 году была продемонстрирована роботизированная рука, способная аккуратно поймать и отпустить личинку рыбы без повреждений.

Пневматические искусственные мышцы обладают большей гибкостью, простотой управления и малым весом по сравнению с обычными пневмоцилиндрами^[54]. В основном они реализуются в конструкции типа мышц МакКиббена^[54]. Термические актуаторы (например, SMA) применяются в военной, медицинской, аварийной и робототехнической областях и могут использоваться для преобразования энергии через механическую деформацию^[55].