Umělé svaly se těm našim den ode dne přibližují. Jak dlouho ještě potrvá, než zcela předčí svou biologickou předlohu? Řešení již klepe na dveře.
Většina lidí si možná řekne, že pořádat soutěže v páce mezi lidmi a roboty je holý nesmysl. Stroje přeci dokáží zvedat tuny nákladu a nečiní jim to žádné potíže. Jak by je mohl porazit obyčejný člověk? Jenže ve skutečnosti se věci mají poněkud jinak. Takové soutěže jsou skutečně nefér, jenže vůči robotům. Na prvním takovém klání pořádaném v loňském roce v kalifornském San Diegu je dokázala porazit i sedmnáctiletá dívka.
Hrubá síla není všechno
Pro mnohé byla skutečnost, že se systémy umělých svalů nechávaly pokládat od lidských soupeřů jako kuželky jeden po druhém, velkým překvapením. Samotný organizátor neobvyklého klání, Yoseph Bar-Cohen z Jet Propulsion laboratory v kalifornské Pasadeně, však přesně takový výsledek očekával. Umělé svaly se sice svými vlastnostmi snaží napodobit naše lidské, nicméně zatím jim to příliš nejde. Skutečnost, že jsou schopny udržet až stonásobek hmotnosti, než zvládne naše paže (dokázali bychom tak jednou rukou zvednout motocykl nebo i menší automobil), k poražení člověka zkrátka nestačí.
„Umělé svaly vypadají podobně jako biologické, nicméně mechanismus jejich práce se od nich zcela liší,“ upřesňuje Bar-Cohen. „Chtěli jsme zjistit, na co se musíme při dalším vývoji soustředit, aby jednou mohly bez potíží člověka v páce porazit.“
Chce soutěž pořádat každý rok až do té doby, kdy umělá paže dokáže porazit mistra světa v páce. To bude vyžadovat značné vylepšení nejen síly, ale i rychlosti reakce a vytrvalosti.
Díly pro naše opotřebovaná těla
Umělé svaly vědci vyvíjejí zhruba 40 let a za tu dobu už vyzkoušeli řadu nejrůznějších materiálů – plasty, látky podobné gumě, gely a pozadu nezůstaly ani kovy. Všechny výtvory spojovala jediná podmínka, musely být, podobně jako pravé svaly, schopny zmenšovat a opětovně zvětšovat svou délku. Jedině v tom případě se totiž hodí pro využití, pro něž je klasické mechanické řešení se silnými písty a běžným pohonem zcela nedostupné, např. pro mikroroboty nebo náhradní díly pro naše opotřebovaná těla.
Klasický stroj prostě nelze donutit k hladkému přirozenému pohybu, který by umožňoval skákání, šplhání nebo běh dlouhé tratě, a přitom si vystačil s palivem, jež by se vešlo do plechovky od piva.
Vědci potřebují svaly, které by jim umožnily vyvinout androidní roboty ještě více podobné člověku, lehčí a obratnější protézy nebo dokonce umělé vnitřní orgány, jako je například srdce nebo bránice.
Jak udržet ve svalech sílu?
Velkým problémem je udržet v robotických svalech dostatečnou sílu, aniž by se musely zásobit velkým množství paliva nebo vybavit objemnými bateriemi. Opomenutelná není ani poruchovost. Zatímco biologické svaly se po zranění nebo poškození při nemoci samy zregenerují, opotřebení materiálu se bez pomoci z vnějšku nevyřeší. I z tohoto důvodu se vědci snaží nalézt látku, která by se svými vlastnostmi blížila svalům.
Počátky podobných snah sahají až do roku 1880, kdy německý fyzik Wilhelm Rőntgen objevil rentgenové záření. Při svých pokusech zjistil, že gumový proužek se pod vlivem elektrického pole může lehce prodloužit. Nicméně teprve v posledních několika málo desetiletích začali technologové vyvíjet materiály, které jsou schopny výrazného pohybu o dostatečné síle.
Nepřekonaný lidský vzor
Přestože se tomuto problému dnes věnují desítky laboratoří po celém světě, dosáhnout kvalit opravdových svalů nebude nijak jednoduché. Naše svaly jsou totiž lehké, a přitom dokáží rychle reagovat na nervové podněty a měnit vlastní délku až o 20 %.
Co je však mnohem důležitější, mohou přizpůsobovat sílu tahu kladeným požadavkům jednoduchým „odpojováním“ a „zapojováním“ svalových vláken. Mohou se za celý lidský život smrštit a natáhnout zpět v řádech desítek až stovek miliard cyklů. Dokážou přeměňovat energii chemických vazeb na energii mechanickou s efektivitou, která často překoná i produkci tepla spalovacím motorem, následné ztráty při převodu na mechanickou nepočítaje.
Svaly pro mechanické vojáky
Současné polymery jsou schopny hravě překonat jednu z vlastností našich svalů, nicméně všechny parametry najednou sledují jen z uctivé vzdálenosti. Některé z nich jsou sice stokrát silnější než naše svaly, ale dosahují jen mizivé rychlosti. Jiné zase neuzvednou ani sklenici s vodou, zato se dokáží smrštit tisícinásobně rychleji než naše.
Největší překážku však představuje způsob využití energie. „Rádi bychom vyvinuli svaly, které by šlo pohánět látkami s energetickou hodnotou srovnatelnou s potravinami,“ říká k tomu Bar-Cohen. To bylo i stěžejním bodem projektu, který připravila americká armádní agentura DARPA ve spolupráci s Nanotechnologickým ústavem Texaské univerzity v Dallasu.
Vědci dostali za úkol vyvinout umělé svaly poháněné vysoce energetickým palivem, jako je například alkohol nebo nafta. DARPA je potřebovala pro roboty, kteří by na jednu stranu vynikali obratností a vytrvalostí, na druhou nespotřebovali příliš paliva, a vydrželi dostatečně dlouho bez tankování nebo dobíjení. Takové stroje pak armáda chtěla nasazovat do nebezpečných situací místo lidí.
Unikátní řešení
Jako první přišla na řadu v roce 1999 uhlíková nanovlákna, obrovské polymerní molekuly z čistého uhlíku, které vědce fascinují už několik let svými neuvěřitelnými elektrickými i mechanickými vlastnostmi. Mimo jiné se o nich uvažuje jako o hlavním kandidátu na nosné lano pro vesmírný výtah. Pro svaly se hodily z důvodu značné nosnosti a schopnosti udržet silný elektrický náboj. Navíc na změnu napětí reaguje smrštěním.
Problém s dodávkou energie se vyřešil do té doby nevídaným unikátním způsobem. Vlákno bylo zakomponováno do palivového článku jako elektroda. Do komory s kyselinou sírovou byl vháněn plynný kyslík, který spolu s vodíkovými ionty z kyseliny „vyráběl“ vodu. Tento proces vyžaduje volné elektrony, které jsou „vysávány“ z uhlíkového nanovlákna. V důsledku ztráty záporných částic tak sval postupně získává kladný náboj, na což reaguje smrštěním. Aby se natáhl do původní délky, stačí pak sval propojit s opačnou elektrodou a nechat elektrony vrátit se zpět na jejich místo.
Tvarová paměť je lepší
„Uhlíková nanovlákna tehdy prokázala, že lze vyvinou umělé svaly poháněné přímo chemickou energií,“ vzpomíná John Madden z Univerzity of British Columbia v kanadském Vancouveru. Až do té doby totiž byly svaly zcela odděleny od zdroje energie, nijak se do procesu jejího využití nezapojovaly. „Zakomponováním vlákna přímo do palivového článku se umělé svaly o krok přiblížily své biologické předloze.“
Nicméně tento materiál má jednu podstatnou nevýhodu. Zatímco bez problémů vyvine sílu stokrát větší než lidské svaly srovnatelné velikosti, nedokáže se zkrátit ani o celé procento své délky. Pohyb v takto nepatrném rozsahu je pro imitaci funkce lidských končetin zcela nevhodný. Proto se další výzkum soustředil na úplně odlišnou látku, slitinu niklu a titania, tzv. nitinol. Ta se vyznačuje výraznou tvarovou pamětí, tzn. že po deformaci a následné změně teploty se vrací zpět do svého původního tvaru.
Technologové potáhli nitinolová vlákna platinovým katalyzátorem a pak je vystavili proudu metanolových par. Alkohol totiž při reakci se vzdušným kyslíkem uvolňuje teplo, které způsobí kontrakci svalového vlákna. A jelikož si nitinol pamatuje svůj výchozí tvar, stačí jej přestat zahřívat, tedy zavřít přívod alkoholu, a umělý sval se vrátí do své původní podoby.
Pohon na krevní cukr
Narozdíl od uhlíkových nanovláken se nitinol dokáže zkrátit až o pět procent své původní délky, což bylo pro vědce dostatečným důvodem k radosti. S takovým rozdílem se robotické končetiny mohou rozhýbat bez jakýchkoli problémů. Aby se ale vědci příliš neradovali, jak už to u nových objevů zkrátka chodí, muselo jejich jásot nad úspěchem opět něco pokazit. Vlákno totiž vyznává jednoduchou filozofii „buď všechno, nebo nic“. Nelze tedy nijak určit, jakou silou ani jakou rychlostí se má sval smršťovat. Další nevýhodou je, že systém ke svému fungování potřebuje cirkulační okruh, který by zajišťoval přívod metanolu, jenž je energeticky značně nevýhodný.
Řešení však může být do budoucna příslibem hlavně pro umělé náhrady poškozených vnitřních orgánů. Jeho autoři totiž chtějí nahradit platinový katalyzátor enzymy, které by umožňovaly reakce s cukry namísto s alkoholem. Pokud se jim podobný kousek podaří, otevřeli by si například cestu k umělému srdci, jemuž by energii v podobě cukrů rozvážela, úplně stejně jako „živým“ orgánům, obyčejná krev. „V současné době to zní jako sen,“ nehýří optimismem jeden z členů texaského autorského týmu, Ray Baughman. „Nicméně je to sen vcelku uskutečnitelný.“
S lidmi už raději ne!
O tom, že by uhlíková nanovlákna nebo svaly z nitinolu dokázaly v dohledné době vyhrát klání v páce s lidským soupeřem, si však vědci mohou zatím nechat jenom zdát. Doposud ještě nikdo pořádně neřeší jejich přesné ovládání, trvanlivost či snad dokonce kompatibilitu s živou tkání. „Zkoumáním vlastností materiálů už se zabývalo hodně odborníků dlouhá léta a přineslo to kýžené ovoce. Ale s dalším řešením jejich využití si zatím hlavu nikdo příliš nelámal,“ podotýká John Madden.
Letos se tedy namísto klání se živými soupeři, které mělo minulý rok hlavně vzbudit zájem veřejnosti, uskuteční soutěž mezi jednotlivými umělými pažemi navzájem. Organizátoři tak chtějí výrobce motivovat k většímu „tahu“ směrem ke konečnému řešení s využitím již testovaných materiálů.
Do hry ale vstupuje další důvod pro změnu pravidel, umělé svaly se tak ušetří potupné porážky. „O mnoha materiálech víme, co všechno dokáží, ale zatím jsem se ani zdaleka nedokázali přiblížit hranici jejich využitelnosti,“ dodává Bar-Cohen. „Když budeme stále dokola jen prohrávat, ničemu to nepomůže.“
Kandidáti na svalovce planety
Umělé svaly se vyvíjejí z několika odlišných typů materiálů, které by měly splňovat kritéria kombinace dostatečné síly, rychlosti a pružnosti.
Vodivé polymery – při aplikaci elektrického proudu se do vlákna „nasají“ ionty z okolního elektrolytu, čímž způsobí změnu jeho délky. Takové materiály vynikají i při nízkém napětí značnou silou, jsou však pomalejší než organické a dokáží se zkracovat jen nepatrně.
Dielektrické elastomery – gumové polymery (například silikon), naskládané mezi tenké vrstvy vodivých látek. Ty se při změně napětí zmáčknou k sobě a vytlačí polymer ven. Fungují tedy podobně jako organická svalová vlákna. Jsou sice velmi rychlé a dokáží až několikanásobně prodloužit svou původní velikost, jsou však velmi náročné na energii.
Kompozitní polymery – mezi dvěma kovovými vrstvami je umístěn polymer. Přivedením elektrického proudu se ionty z polymeru přestěhují k jedné straně a materiál tím ohnou. Tyto svaly dokáží pracovat za velmi nízkého napětí, nicméně na druhou stranu jsou slabší než lidské.
