Рынок робототехники и робототехнических комплексов является одним из наиболее динамично развивающихся современных рынков. По оценке консалтинговой компании «Tractica», в 2016 году мировая индустрия робототехники прошла поворотный момент своего развития, когда объем рынка бытовых роботов впервые превысил объем рынка промышленных роботов; бытовые и корпоративные роботы, автономные транспортные средства и беспилотные летательные аппараты будут способствовать росту мирового рынка робототехники, который с $34,1 млрд. в 2016 году увеличится до $226,2 млрд. к 2021 году, и покажет среднегодовые темпы роста на уровне 46%.

Но есть и свои болевые точки у прекрасного будущего роботостроения, некоторые из них критически важны для дальнейшего прогресса. На базе современных пневматических и электромагнитных приводов, применяемых в настоящее время в робототехнике, абсолютно невозможно создать робота андроидного типа, копирующего человека по объему функциональных возможностей и при этом имеющего аналогичный вес.

Существующие технические решения, применяемые на практике, далеки от совершенства: они слишком тяжелые и еще более медленные по сравнению с биологическими аналогами. Данная проблема затрагивает практически любую область робототехники и выходит далеко за ее рамки.

Малая удельная мощность приводов и очень малая скорость перемещения механизмов ограничивают не только функционал робототехнических устройств, но и сферы их применения. Для реального прогресса в этой сфере нужны решения, улучшающие характеристики приводов на порядок и более.

Решение очевидно – нужно учиться у природы: все биологические организмы перемещают себя в пространстве посредством органов, работающих на принципах электростатики – за счет кулоновских сил, и наши мышцы не исключение.

 В сильно упрощенном описании они работают примерно так: по управляющему сигналу нейрона в мышечных волокнах активируются положительно заряженные ионы кальция, которые взаимодействуют с отрицательно заряженной клеточной мембраной и другими молекулами, что приводит к смещению мышечных волокон относительно друг друга и сокращению мышцы, потом электрохимические процессы в клетке «перезаряжают» этот «электростатический двигатель», подготавливая мышцу к новому сокращению. При этом мышцы, например, человека, до сих пор превосходят по силе на единицу массы любое роботизированное устройство.

Например, чуть более десяти лет тому назад на робототехническом шоу в США на турнире по армрестлингу с искусственной рукой роботы вчистую проиграли обычной школьнице, и с тех пор принципиально ничего не изменилось.


Школьница Панна Фелсен соревнуется с искусственной рукой, изготовленной в Технологическом институте  штата Виргиния.

 

Признание этой проблемы, как серьезного вызова научно-техническому прогрессу, привело к углубленным исследованиям в этой области.  

Тематика электрических мышц актуальна уже не менее трех десятилетий. Среди разработок в этом направлении выделяются работы по электроактивным полимерам специалистов Лаборатории реактивного движения NASA и похожие работы ученых из Национального университета Сингапура со сложными полимерными композитами. В предложенных ими решениях под действием электрического напряжения полимерные пленки изгибаются или изменяют линейные размеры, фактически пытаясь копировать работу мышц.

В России похожей тематикой занимается лаборатория В. Л. Дятлова в Институте математики СО РАН, в которой заложили основы пленочной электромеханики как нового научного направления. Дятлов, его ученики и последователи создали несколько интересных технических решений в этом направлении, в том числе запатентованных, но имеющих ряд принципиальных конструктивных недостатков, не позволивших реализовать их на практике.

Решение и даже частичный прогресс в задаче по созданию дешевых и функциональных «электрических мышц» или их аналогов обладает огромным коммерческим потенциалом, заложенном в уже существующем запросе и еще более в потенциальном спросе на новые технологии и продукты.

пример мышц робота

Цель проекта ЭЛьСТАТО – создание и коммерциализация электрических приводов (электрических машин) типа «электрические мышцы» повышенной удельной мощности и быстродействия, работающих на принципах электростатики от внешнего источника напряжения.

Новый продукт создается на базе новаторского конструкторского решения. Физико-математическое моделирование продукта позволяет рассчитывать на удельную мощность, превышающую 10 Вт на кубический сантиметр рабочего объема электрической машины (при надлежащем выборе оптимальных материалов и конструкции ячеек, а при оптимальных режимах работы может превышать в несколько раз вышеуказанную величину).

Сфера применения продукта – роботизированные комплексы широкого спектра, системы автоматики, электрические замки; и многое другое – потенциальная сфера применения очень широка.

На текущей стадии развития проекта создан объект интеллектуальной собственности (подана заявка на изобретение) на новое техническое решение, не известное из текущего уровня развития техники, построена физико-математическая динамическая модель устройства, производится подбор и лабораторные испытания материалов для опытного образца, начато тестирование лабораторных моделей.

Электрические замки для разрабатываемого продукта рассматриваются как наиболее доступный сегмент рынка для тестирования и продвижения нового продукта, выход на который обременен минимальными издержками по стоимости и времени и не зависит от нерыночных факторов и барьеров.

Параллельно этому планируется широкое привлечение индустриальных лидеров и инновационных компаний в сфере робототехники для тестирования продуктов, технологий и дальнейшего масштабирования проекта.

В «Электрических мышцах ЭЛьСТАТО» используется принципиальное новое техническое решение, не известное из текущего уровня техники: тонкие ленты, состоящие из тонкой металлической фольги (или иного токопроводящего материала), покрытой тонким слоем диэлектрика (полимерная пленка), формируют ячеистую структуру, состоящую из множества элементарных «ячеек сжатия», каждая из которых формируется парой лент и жесткими элементами каркаса ячейки. При подаче на такую пару лент напряжения сила кулоновского притяжения между лентами втягивает взаимодействующие фрагменты лент внутрь ячейки, создавая силу натяжения лент, которая сдвигает элементы каркаса друг к другу в направлении, вдоль которого протянуты ленты.


На рис. представлена простейшая ячейка сжатия «электрической мышцы» (в разрезе, плоскость разреза параллельна плоскости изображения); 1 – жесткие элементы каркаса ячейки; 2 – положительно заряженная гибкая лента-электрод; 3 – отрицательно заряженная гибкая лента-электрод; 4 – внутренняя полость несжатой ячейки (верхний рисунок), в которую втягиваются притягивающиеся силой кулоновского взаимодействия друг к другу ленты-электроды (ленты-электроды жестко прикреплены к элементам каркаса ячейки); Х – смещение элементов каркаса друг к другу (на нижнем рисунке показано смещение при максимально возможном сжатии ячейки). При подаче напряжения на ленты-электроды, на них образуются электрические заряды противоположного знака, притягивающиеся друг к другу и втягивающие гибкие ленты внутрь ячейки, ленты натягиваются и сдвигают жесткие элементы каркаса друг к другу, именно это смещение и используется для передачи движения и силы внешнему механическому приводу.

Принципиально новым в такой ячеистой структуре является сочетание гибких лент и жестких элементов каркаса, формирующих динамическую степень свободы ячейки (т.е. координату, вдоль которой ячейка сжимается и может перемещать механический привод – Х на рисунке вверху) в направлении, перпендикулярном направлению электрического поля внутри ячейки, вдоль которого происходит втягивание ленты внутрь ячейки; а также сам принцип сжатия массива ячеек в направлении, перпендикулярном по отношению к силовым линиям электрического поля внутри ячеек и направлению втягивания лент внутрь ячеек. В общем случае сжатие ячеек не обязательно должно происходить в направлении, строго перпендикулярном силовым линиям поля, но оно никогда не может быть параллельным ему – это является принципиальным моментом.

В процессе работы ленты находятся в состоянии естественного натяжения и ячейки легко возвращаются в исходное несжатое состояние путем приложения внешнего усилия к элементам каркаса в направлении, обратном их сдвигу. Это позволяет паре таких ячеек, кинематически связанных друг с другом и работающих в противофазе, совершать неограниченное количество возвратно-поступательных движений.

Любая другая ячеистая структура с гибкими лентами без жестких элементов каркаса (в том числе запатентованные аналоги) слипается после первого такта сжатия и при попытке обратного перевода в исходное состояние теряет начальную однородную конфигурацию – часть ячеек остается в слипшемся состоянии, а часть, деформируясь, «разжимается» больше, чем нужно. В результате совокупность таких ячеек теряет возможность снова сжиматься.

В решениях на базе электроактивных полимеров (США) и сложных полимерных композитов (Сингапур) применяется иной принцип сжатия: сжимаются не полые внутри ячейки, а эластичная и упругая полимерная структура, содержащая токопроводящие слои, – аналог многослойного конденcатора переменной емкости, и сжимается он в направлении силовых линий электрического поля.

Локальной проблемой проекта является то, что в России развитие рынка робототехники очень сильно отстает от развитых стран. Это касается как сегмента промышленных роботов, так и бытовых устройств. Однако существует большое количество существующих и потенциальных сегментов рынка роботизированных устройств и комплексов, доступных новому продукту при минимальных издержках и барьерах при выходе на рынок.

Например, рынок электрических замков, где возможна синергия «электрических мышц ЭЛьСТАТО» со специально разрабатываемыми в рамках настоящего проекта автономными источниками питания высокого напряжения малой мощности, которые в совокупности могут довести срок автономной работы электрического замка до нескольких десятков лет.

По оценке компании IHS, мировой рынок электронных замков превысил в 2015 году $ 1 млрд, а к 2019 году электронные замки станут крупнейшим сегментом рынка для электронных систем контроля доступа, и доходы в этой области превысят доходы от сегмента считывателей и домофонных панелей. Это произойдет благодаря интеграции электронных замков с беспроводными сетями и традиционными считывателями так же, как происходит в других отраслевых направлениях.

Рынок электронных замков идеально подходит для старта коммерческого тестирования и продаж нового продукта и последующего масштабирования, в том числе на рынке робототехнических устройств.

Инициатор и руководитель проекта:

 

Обжиров Евгений Анатольевич.



Окончил МФТИ (прикладная математика) и АНХ при Правительстве РФ (финансы и кредит), более 20 лет проработал в сфере корпоративных финансов, где основной специализацией была организация проектного финансирования, бизнес-планирование и контроль за выполнением бизнес-планов и кредитных ковенант.

На текущий момент обладает 6 патентами РФ на изобретения в сфере силовой электроники и электротехники. Участвовал в стадии офф-лайн GenerationS-2015 и участвует в предакселераторе GenerationS-2016 (трек SmartCity) с проектом «Электрические замки ЭЛьСТАТО».

До настоящего времени проект развивался исключительно на личных и семейных ресурсах инициатора проекта. Сейчас идет работа по вовлечению в проект широкого круга выпускников МФТИ разных лет.