Скрученные роботы ориентируются в сложных лабиринтах без людей или программного обеспечения

Команда исследователей из Университета Северной Каролины и Университета Пенсильвании разработала мягких роботов, способных ориентироваться в сложных средах без вмешательства человека или компьютерного программного обеспечения.

Статья под названием «Скручивание для мягкого интеллектуального автономного робота в неструктурированных средах» была опубликована в Proceedings of the National Academy of Sciences.

Демонстрация физического интеллекта

Джи Йин является основным автором исследовательской статьи и ассоциированным профессором механической и аэрокосмической инженерии в Университете Северной Каролины.

«Эти мягкие роботы демонстрируют концепцию, называемую ‘физическим интеллектом’, что означает, что конструктивное проектирование и умные материалы позволяют мягкому роботу ориентироваться в различных ситуациях, а не вычислительный интеллект», – говорит Йин.

Мягкие роботы были сконструированы из жидкокристаллических эластомеров в форме скрученной ленты. Когда лента помещается на поверхность, температура которой составляет не менее 55 градусов Цельсия, часть ленты, соприкасающаяся с поверхностью, сокращается. В то же время часть ленты, подверженная воздействию воздуха, остается прежней. Это приводит к вращательному движению, и по мере того, как поверхность нагревается, робот катится быстрее.

«Это было сделано ранее с гладкими стержнями, но такая форма имеет недостаток – когда она встречает препятствие, она просто вращается на месте», – говорит Йин. «Мягкий робот, который мы создали в форме скрученной ленты, способен преодолевать эти препятствия без вмешательства человека или компьютера».

Достижение навигации без программного обеспечения

Робот может выполнять это двумя способами. Когда один конец ленты встречает препятствие, он слегка поворачивается, чтобы обойти препятствие. Когда центральная часть робота встречает препятствие, она «щелкает», что является быстрым высвобождением запасенной деформационной энергии, вызывающим небольшой прыжок ленты и ее переориентацию перед приземлением. Лента может щелкнуть более одного раза, прежде чем найти правильную ориентацию, позволяющую ей преодолеть препятствие.

«В этом смысле это похоже на роботов-пылесосы, которые многие люди используют в своих домах», – говорит Йин. «За исключением того, что мягкий робот, который мы создали, черпает энергию из окружающей среды и работает без компьютерных программ».

Яо Чжао является основным автором статьи и постдокторантом в Университете Северной Каролины.

«Два действия, позволяющие роботу преодолевать препятствия, – поворот и щелчок – работают на градиенте», – говорит Чжао. «Самый мощный щелчок происходит, если объект касается центра ленты. Но лента все равно щелкает, если объект касается ленты в стороне от центра, только менее мощно. И чем дальше от центра, тем менее выражен щелчок, пока не достигнете последней пятой части длины ленты, которая не производит щелчка вовсе».

Команда исследователей провела множество экспериментов, показывающих, как робот в форме ленты может ориентироваться в различных лабиринтных средах. Они также продемонстрировали, что мягкие роботы будут работать эффективно в пустынных средах, поскольку они могут подниматься и спускаться по склонам рыхлого песка.

«Это интересно и весело смотреть, но более важно, что это дает новые идеи о том, как мы можем проектировать мягких роботов, способных собирать тепловую энергию из природных сред и автономно преодолевать сложные, неструктурированные среды, такие как дороги и суровые пустыни»», – говорит Йин.

Статья также была написана докторантами Университета Северной Каролины Индингом Чи, Яои Хун и Янбином Ли, а также Шу Янгом, который является профессором материаловедения и инженерии в Университете Пенсильвании.