Мир робототехники стремительно меняется — и не всегда в предсказуемых направлениях. На стыке биомиметики, материаловедения и квантовой инженерии сегодня зарождаются технологии, которые еще недавно казались сценарием для блокбастеров. Один из таких прорывов — роботы, способные менять свое агрегатное состояние, буквально переходя из твердого тела в жидкость и обратно.
Вдохновением для этой технологии послужила не только фантастика вроде «Терминатора 2», но и удивительные способности некоторых живых существ. В частности — морского огурца, который может контролировать жесткость тканей своего тела, становясь либо упругим, либо мягким в зависимости от угроз и условий среды.
Эта природная адаптивность легла в основу целого нового направления в робототехнике — создания роботов-трансформеров, или роботов с фазовым переходом.
Что такое робот, меняющий форму
Термин звучит просто, но за ним стоит сложная инженерная концепция. Робот, меняющий форму, — это машина, способная реагировать на внешние раздражители (например, тепло или магнитное поле), изменяя свое физическое состояние. То есть, условно говоря, он может «растекаться», проходить сквозь узкие щели, потом снова затвердевать и продолжать выполнять задачи как обычный механизм.
Это достигается за счет особых материалов с фазовым переходом — веществ, которые могут переходить из одного агрегатного состояния в другое (твердое ↔ жидкое) под действием определенных условий. В случае с новыми роботами речь идет о жидком металле, в который внедрены магнитоактивные частицы.
Как устроены такие роботы: материалы будущего
Один из наиболее перспективных подходов предложила команда ученых из Университета Сунь Ятсена и Университета Карнеги-Меллона. Они разработали особый композит — магнитоактивную фазовую переходную материю (MPTM).
В этой материи микроскопические магнитные частицы (например, из сплава неодима, железа и бора) взвешены в жидком металле, таком как галлий — металл, плавящийся при температуре чуть выше комнатной (около 29,8°C). Это значит, что при небольшом повышении температуры или воздействии магнитного поля материал переходит из твердого состояния в жидкое.
Уникальность этой технологии в том, что фазовый переход управляется дистанционно: внешнее магнитное поле вызывает нагревание, меняя состояние робота без необходимости физического контакта.
После того, как магнитное поле отключается, материал снова затвердевает. Иными словами, робот может буквально растекаться и затвердевать по команде.
Поведение — как у жидкости и твердого тела одновременно
Во время фазового перехода меняются не только физические свойства, но и функциональность робота. В жидком состоянии он может:
- проходить сквозь узкие отверстия;
- переползать через препятствия;
- делиться на части, если нужно переместить объект в команде;
- воссоединяться, превращаясь обратно в единое устройство.
В твердом состоянии он вновь становится прочным и жестким — может нести груз, толкать объекты, создавать соединения. В экспериментах такие роботы выдерживали нагрузку более 30 килограммов — при собственном размере в считанные миллиметры. Это делает их невероятно перспективными для миниатюрных высокофункциональных автономных систем.
Чем они отличаются от других трансформирующихся роботов
В последние годы ученые активно разрабатывали роботов, способных менять форму — от механических трансформаций до конструкций в стиле оригами. Но у всех этих подходов был общий недостаток — жесткие рамки конструкции. Такие роботы могли складываться или менять положение деталей, но не изменяли физическое состояние материала.
Роботы с фазовым переходом — это принципиально иной уровень: материал сам по себе становится частью механизма, активно участвуя в движении и преобразовании. Здесь форма становится функцией, как выразился один из авторов исследований, профессор машиностроения Кармел Маджиди.
Применение: от медицины до архитектуры
Один из самых интересных и перспективных векторов применения — медицина. Представьте себе микроробота, который можно ввести в организм, например, чтобы добраться до труднодоступного места, расплавиться, обернуть инородный объект, а затем выйти наружу. Такой подход может перевернуть методы:
- удаления опухолей и инородных тел;
- доставки лекарств прямо к нужной клетке;
- реконструкции поврежденных тканей с помощью проводящих материалов.
Кроме того, возможность динамически изменять форму делает такие материалы привлекательными для:
- гибкой электроники и мягких схем;
- адаптивных структур в архитектуре;
- роботов, работающих в замкнутых или экстремальных пространствах — например, в зонах катастроф или внутри технических систем, где невозможно применять обычные машины.
Как управляется фазовый переход
Процесс перехода из одного состояния в другое основан на контролируемом поглощении тепла. Магнитные частицы под действием поля начинают генерировать индукционные токи, разогревая материал. Это и вызывает плавление.
Управляя параметрами магнитного поля — направлением, частотой, интенсивностью — можно точно контролировать форму и движение устройства. После выполнения задачи поле ослабляется, и робот снова становится твердым.
Будущее: интеллект в материи
Потенциал технологии — далеко за пределами просто робототехники. Появление материалов, которые откликаются на команды и меняют свое состояние без механических двигателей или суставов, означает, что интеллект можно встраивать в саму материю. Это открывает путь к созданию адаптивных машин, которые будут не запрограммированы на жесткие действия, а смогут импровизировать в зависимости от условий.
Как говорит Лайнинг Яо, руководитель Лаборатории морфинга материи в Carnegie Mellon, «если мы можем управлять формами — мы можем управлять функциональностью». Это означает — больше не нужно разделять форму и задачу. Материал может приспосабливаться и действовать сам, как живой организм.
Итоги
Технология роботов с фазовым переходом — это шаг к новому поколению машин, которые живут, двигаются и действуют, как настоящие организмы. Они вдохновлены природой, но уже выходят за ее пределы. Пока эти роботы — лишь лабораторные прототипы, но уже завтра они могут стать частью медицинских капсул, аварийных дронов, строительных блоков и даже архитектурных оболочек, реагирующих на ветер и свет.
Мир, в котором металл может течь, а робот — стать каплей, а потом снова рукой, уже не фантастика. Это — следующий этап эволюции машин.
