Мышечно-управляемые роботы: новая граница в биомиметической инженерии

В заметном развитии в области робототехники исследователи из ETH Zurich и Института интеллектуальных систем имени Макса Планка представили новую роботизированную ногу, которая более точно имитирует биологические мышцы, чем когда-либо прежде. Этот инновационный подход знаменует собой значительный отход от традиционной робототехники, которая полагалась на двигательные системы в течение почти семи десятилетий.

Совместная работа, возглавляемая Робертом Кацшманном и Кристофом Кеплингером, привела к созданию роботизированной конечности, демонстрирующей замечательные возможности в области энергетической эффективности, адаптивности и отзывчивости. Этот прорыв может потенциально изменить ландшафт робототехники, особенно в областях, требующих более похожих на живые и универсальных механических движений.

Значимость этого развития выходит за рамки простой технологической новинки. Это представляет собой важный шаг на пути к созданию роботов, которые могут более эффективно ориентироваться и взаимодействовать с сложными, реальными средами. Более точно воспроизводя биомеханику живых существ, эта мышечно-управляемая нога открывает новые возможности для применения, начиная от поисково-спасательных операций и заканчивая более тонкими взаимодействиями в сотрудничестве человека и робота.

Инновация: Электрогидравлические актуаторы

В сердце этой революционной роботизированной ноги находятся электрогидравлические актуаторы, получившие название HASEL от исследовательской команды. Эти инновационные компоненты функционируют как искусственные мышцы, обеспечивая ноге ее уникальные возможности.

Актуаторы HASEL состоят из маслонаполненных пластиковых пакетов, напоминающих те, которые используются для изготовления кубиков льда. Каждый пакет частично покрыт с обеих сторон проводящим материалом, который служит электродом. Когда к этим электродам прикладывается напряжение, они притягиваются друг к другу из-за статического электричества, подобно тому, как шарик может прилипнуть к волосам после трения о них. По мере увеличения напряжения электроды приближаются, вытесняя масло внутри пакета и вызывая его сокращение.

Этот механизм позволяет осуществлять парные движения, подобные мышечным: когда один актуатор сокращается, его противодействующий актуатор удлиняется, имитируя координированное действие разгибательных и сгибательных мышц в биологических системах. Исследователи контролируют эти движения с помощью компьютерного кода, который общается с высоковольтными усилителями, определяя, какие актуаторы должны сокращаться или удлиняться в любой момент времени.

В отличие от традиционных роботизированных систем, которые полагаются на двигатели – технологию, имеющую 200-летнюю историю, – этот новый подход представляет собой сдвиг парадигмы в роботизированном актуаторе. Традиционные двигательные роботы часто сталкиваются с проблемами энергетической эффективности, адаптивности и необходимости сложных датчиков. Напротив, нога, оснащенная HASEL, решает эти проблемы новыми способами.

Преимущества: Энергетическая эффективность, адаптивность, упрощенные датчики

Электрогидравлическая нога демонстрирует превосходную энергетическую эффективность по сравнению с ее двигательными аналогами. Когда она поддерживает согнутое положение, например, нога HASEL потребляет значительно меньше энергии. Эта эффективность очевидна на термографических изображениях, которые показывают минимальное теплообразование в электрогидравлической ноге по сравнению с существенным теплом, производимым двигательными системами.

Адаптивность является еще одним ключевым преимуществом этого нового дизайна. Мышечная система ноги обеспечивает врожденную эластичность, позволяя ей гибко адаптироваться к различным местностям без необходимости сложной предварительной программировки. Это имитирует естественную адаптивность биологических ног, которые могут инстинктивно адаптироваться к разным поверхностям и воздействиям.

Возможно, наиболее впечатляюще то, что нога, оснащенная HASEL, может выполнять сложные движения – включая высокие прыжки и быстрые корректировки – без использования сложных датчиков. Внутренние свойства актуаторов позволяют ноге обнаруживать и реагировать на препятствия естественным образом, упрощая общий дизайн и потенциально снижая точки отказа в реальных приложениях.

Применения и будущий потенциал

Мышечно-управляемая роботизированная нога демонстрирует возможности, которые расширяют границы того, что возможно в биомиметической инженерии. Ее способность выполнять высокие прыжки и осуществлять быстрые движения демонстрирует потенциал для более динамичных и ловких роботизированных систем. Эта ловкость, в сочетании с возможностью ноги обнаруживать и реагировать на препятствия без сложных датчиков, открывает интересные возможности для будущих применений.

В области мягкой робототехники эта технология может улучшить, как машины взаимодействуют с деликатными объектами или ориентируются в чувствительных средах. Например, Кацшманн предполагает, что электрогидравлические актуаторы могут быть особенно полезны при разработке высокоиндивидуализированных захватов. Такие захваты могли бы адаптировать свою силу и технику захвата в зависимости от того, обрабатывают ли они прочный объект, такой как мяч, или хрупкий предмет, такой как яйцо или помидор.

Глядя вперед, исследователи представляют себе потенциальные применения в области спасательной робототехники. Кацшманн предполагает, что будущие итерации этой технологии могут привести к разработке четвероногих или гуманоидных роботов, способных ориентироваться в сложных местностях в сценариях катастроф. Однако он отмечает, что до того, как такие применения станут реальностью, предстоит проделать значительную работу.

Вызовы и более широкое влияние

Несмотря на свою новаторскую природу, текущий прототип сталкивается с ограничениями. Как объясняет Кацшманн, “По сравнению с ходящими роботами с электродвигателями, наша система все еще ограничена. Нога в настоящее время прикреплена к стержню, прыгает по кругу и еще не может двигаться свободно.” Преодоление этих ограничений для создания полностью мобильных, мышечно-управляемых роботов представляет собой следующий значительный барьер для исследовательской команды.

Тем не менее, более широкое влияние этого инновационного подхода на область робототехники невозможно переоценить. Кеплингер подчеркивает трансформирующий потенциал новых аппаратных концепций, таких как искусственные мышцы: “Область робототехники быстро прогрессирует с помощью передовых систем управления и машинного обучения; в отличие от этого, в области робототехнического оборудования, которая столь же важна, было гораздо меньше прогресса.”

Это развитие сигнализирует о потенциальном сдвиге в философии проектирования роботов, отходе от жестких, двигательных систем к более гибким, мышцеобразным актуаторам. Такой сдвиг может привести к роботам, которые не только более энергетически эффективны и адаптивны, но и безопаснее для взаимодействия с человеком и более способны имитировать биологические движения.

Итог

Мышечно-управляемая роботизированная нога, разработанная исследователями из ETH Zurich и Института интеллектуальных систем имени Макса Планка, знаменует собой значительную веху в биомиметической инженерии. Используя электрогидравлические актуаторы, этот инновационный подход предлагает взгляд в будущее, где роботы движутся и адаптируются более как живые существа, чем машины.

Хотя остаются проблемы в разработке полностью мобильных, автономных роботов с этой технологией, потенциальные применения обширны и интересны. От более ловких промышленных роботов до ловких спасательных машин, способных ориентироваться в зонах катастроф, этот прорыв может изменить наше понимание робототехники. По мере прогресса исследований мы можем стать свидетелями ранних стадий сдвига парадигмы, который стирает границу между механическим и биологическим, потенциально революционизируя, как мы проектируем и взаимодействуем с роботами в будущем.