Исследователи из Технологического института Джорджии недавно продемонстрировали впечатляющее достижение: 12-сантиметровый мягкий робот, способный подбрасывать себя на высоту 3 метра – высоту баскетбольного кольца – без каких-либо ног. Дизайн был вдохновлен скромной нематодой, крошечным круглым червем тоньше человеческого волоса, который может прыгать на расстояние, во много раз превышающее длину его тела.
Сжимая свое тело в тугие изгибы, червь накапливает упругую энергию, а затем внезапно высвобождает ее, подбрасывая себя вверх или назад, словно акробатический гимнаст. Инженеры воспроизвели это движение. Их робот “SoftJM” по сути представляет собой гибкий силиконовый стержень с жестким углеволоконным позвоночником. В зависимости от того, как он изгибается, робот может прыгать вперед или назад, хотя у него нет ни колес, ни ног.
В действии робот, вдохновленный нематодой, сворачивается подобно человеку, который приседает, а затем взрывообразно разгибается для прыжка. Высокоскоростная камера показывает, как червь изгибает голову вверх и перегибается посередине тела, чтобы отпрыгнуть назад, затем выпрямляется и перегибается у хвоста, чтобы прыгнуть вперед.
Команда из Технологического института Джорджии обнаружила, что эти тугие изгибы – обычно проблема в шлангах или кабелях – на самом деле позволяют червю и роботу накапливать гораздо больше энергии. Как отметил один из исследователей, перегнутые соломинки или шланги бесполезны, но перегнутый червь действует как заряженная пружина. В лаборатории мягкий робот воспроизвел этот трюк: он “защемляет” свою середину или хвост, напрягается, а затем высвобождается за доли секунды, чтобы взлететь в воздух.
Восхождение мягких роботов
Мягкая робототехника – молодая, но быстро растущая область, которая часто черпает идеи из природы. В отличие от жестких металлических машин, мягкие роботы сделаны из гибких материалов, которые могут сжиматься, растягиваться и адаптироваться к окружающей среде. Ранние вехи в этой области включают Octobot Гарварда – автономного робота, полностью изготовленного из силикона и жидкостных каналов, без жестких частей, вдохновленного мышцами осьминога. С тех пор инженеры создали целый зверинец мягких машин: от червеобразных ползунов и желеобразных захватов до носимых “экзо-костюмов” и катящихся роботов, напоминающих лозу.
Например, исследователи из Йельского университета создали мягкого робота, вдохновленного черепахой, чьи ноги переключаются между мягкими плавниками и твердыми “наземными конечностями” в зависимости от того, плавает он или ходит. В Калифорнийском университете в Санта-Барбаре ученые создали роботов, подобных лозе, которые растут к свету, используя только светочувствительную “кожу” – они буквально протягиваются через узкие пространства, как стебель растения. Эти и другие биоинспирированные инновации показывают, как мягкие материалы могут создавать новые способы передвижения.
В целом, сторонники утверждают, что мягкие роботы могут попасть в места, недоступные для традиционных роботов. Национальный научный фонд США отмечает, что адаптивные мягкие машины “исследуют пространства, ранее недоступные для традиционных роботов” – даже внутри человеческого тела. У некоторых мягких роботов есть программируемая “кожа”, которая меняет жесткость или цвет, чтобы сливаться с окружающей средой или хватать предметы. Инженеры также исследуют методы оригами/киригами, полимеры с памятью формы и другие приемы, чтобы эти роботы могли перестраиваться на лету.
Преодоление инженерных вызовов
Создание мягкого робота, движущегося как животное, связано с большими проблемами. Без твердых суставов или двигателей дизайнеры должны полагаться на свойства материалов и умную геометрию. Например, прыгуну из Технологического института Джорджии пришлось включить углеволоконный позвоночник внутри его резинового тела, чтобы действие пружины было достаточно мощным. Интеграция датчиков и систем управления также является сложной задачей. Как отмечают инженеры из Пенсильванского университета, традиционная электроника жесткая и может обездвижить мягкого робота.
Чтобы сделать своего крошечного ползающего спасательного робота “умным”, им пришлось осторожно распределить гибкие схемы по всему телу, чтобы оно все еще могло сгибаться. Даже поиск источников энергии сложнее: некоторые мягкие роботы используют внешние магнитные поля или сжатый воздух, поскольку тяжелая батарея утяжелила бы их.
Еще одним препятствием является использование правильной физики. Команда, создавшая робота, вдохновленного нематодой, узнала, что перегибы на самом деле помогают. В обычной резиновой трубке перегиб быстро останавливает поток; но в мягком черве он медленно накапливает внутреннее давление, позволяя гораздо больше сгибаться перед высвобождением. Экспериментируя с симуляциями и даже моделями из наполненных водой воздушных шаров, исследователи показали, что их гибкое тело может накапливать много упругой энергии при сгибании, а затем высвобождать ее в одном быстром прыжке. Результат впечатляет: из состояния покоя робот может прыгнуть на высоту 3 метра, неоднократно, просто сгибая позвоночник. Эти прорывы – поиск способов накопления и высвобождения энергии в резиноподобных материалах – типичны для инженерии мягкой робототехники.
Прыгуны и помощники в реальном мире
Для чего нужны все эти мягкие роботы? В принципе, они могут решать ситуации, слишком опасные или неудобные для жестких машин. В зонах бедствия, например, мягкие боты могут извиваться под обломками или в обрушившихся зданиях, чтобы найти выживших. В Пенсильванском университете показали прототип мягкого ползуна с магнитным управлением, который мог перемещаться через плотный мусор или даже через каналы размером с кровеносные сосуды.
В медицине микроскопические мягкие роботы могли бы доставлять лекарства непосредственно в организм. В одном исследовании MIT был представлен тонкий, как нить, мягкий робот, который мог плыть по артериям и удалять тромбы, потенциально лечить инсульты без открытой хирургии. Ученые из Гарварда также работают над мягкими носимыми экзоскелетами – легкий надувной рукав помог пациентам с БАС поднять плечо, мгновенно улучшив их диапазон движений.
Если вам интересно глубже изучить тему AI агентов и их применение в робототехнике, существуют специализированные курсы, раскрывающие эту перспективную область.
Космические агентства также обращают внимание на мягких прыгунов. Колеса могут застрять в песке или на камнях, но прыгающий робот может перепрыгивать через кратеры и дюны. NASA даже представляет себе новаторских прыгунов для Луны и ледяных спутников. В одной концепции бот размером с футбольный мяч под названием SPARROW будет использовать паровые струи (из кипяченого льда), чтобы перепрыгивать на много километров через Европу или Энцелад. В условиях низкой гравитации этих спутников небольшой прыжок проходит очень большое расстояние – ученые отмечают, что прыжок робота на один метр на Земле мог бы перенести его на сто метров на Энцеладе. Идея заключается в том, что десятки этих прыгунов могли бы роиться по чужеродной местности “с полной свободой передвижения” там, где колесные роверы остановились бы. На Земле будущие мягкие прыгуны могли бы помогать в поисково-спасательных миссиях, перепрыгивая через реки, грязь или нестабильную землю, которая остановила бы обычных роботов.
Промышленное применение
Мягкие роботы также находят работу в промышленности и сельском хозяйстве. NSF указывает, что они могли бы стать безопасными помощниками на заводских цехах или на фермах, поскольку они уступают, если человек оказывается на пути. Исследователи даже построили мягкие захваты, которые аккуратно собирают нежные фрукты, не повреждая их. Гибкость мягких машин означает, что они могут действовать в местах слишком маленьких или гибких для жестких устройств.
В конечном итоге эксперты считают, что мягкая робототехника принципиально изменит многие области. От червей до носимых костюмов и лунных прыгунов, это направление исследований показывает, как изучение крошечных существ может привести к гигантским скачкам в технологиях.