Черви, пружины и мягкие роботы: крошечные существа вдохновляют на гигантские прыжки

Недавно исследователи из Georgia Tech представил впечатляющее достижение: 5-дюймовый мягкий робот, который может катапультироваться на 10 футов в воздух — на 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 ввысь или назад, как акробатический гимнаст. Инженеры имитировали это движение. Их робот «SoftJM» по сути представляет собой гибкий силиконовый стержень с жестким углеродным волокном. В зависимости от того, как он сгибается, он может прыгать вперед или назад — даже несмотря на то, что у него нет колес или ног.

В действии, робот, вдохновленный нематодой, сворачивается, как человек, приседающий, затем резко разгибается, чтобы прыгнуть. Высокоскоростная камера показывает, как червь изгибает голову вверх и изгибается в середине своего тела, чтобы прыгнуть назад, затем выпрямляется и изгибается в хвосте, чтобы прыгнуть вперед. 

Команда Georgia Tech обнаружила, что эти крутые изгибы — обычно проблема шлангов или кабелей — на самом деле позволяют червю и роботу запасать гораздо больше энергии. Как заметил один исследователь, перегнутые соломинки или шланги бесполезны, но перегнутый червь действует как заряженная пружина. В лаборатории мягкий робот воспроизведенный этот трюк: он «щипает» себя за середину или хвост, напрягается, а затем резко отпускает (примерно одну десятую миллисекунды), чтобы взмыть в воздух.

Мягкие роботы на подъеме

Мягкая робототехника — молодая, но быстрорастущая область, которая часто черпает вдохновение 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 Гарвардский Октобот – автономный робот, полностью сделанный из силикона и жидкостных каналов, без жестких частей, вдохновленный мышцами осьминога. С тех пор инженеры построили целый зверинец мягких машин: от червеобразных гусениц и желеобразных захватов до носимых «экзокостюмов» и катящихся лианообразных роботов. 

Например, исследователи из Йельского университета создали мягкого робота, вдохновленного черепахой, чьи ноги переключаются между гибкими ластами и твердыми «наземными ногами» в зависимости от того, плывет ли он или идет. В Калифорнийском университете в Санта-Барбаре ученые создали робота, похожего на виноградную лозу, который растет по направлению к свету, используя только светочувствительную «кожу» — он буквально простирается через узкие пространства, как стебель растения. Эти и другие биоинновации показывают, как мягкие материалы могут создавать новые способы движения.

В целом, сторонники утверждают, что мягкие роботы могут пройти там, где традиционные роботы не могут. Национальный научный фонд США отмечает что адаптивные мягкие машины «исследуют пространства, ранее недоступные традиционным роботам» — даже внутри человеческого тела. Некоторые мягкие роботы имеют программируемую «кожу», которая меняет жесткость или цвет, чтобы слиться с объектами или захватить их. Инженеры также изучают техники оригами/киригами, полимеры с эффектом памяти формы и другие приемы, позволяющие этим роботам перестраиваться на лету.

Проектирование гибкого движения

Заставить мягкого робота двигаться как животное — это большая проблема. Без жестких соединений или двигателей конструкторы должны полагаться на свойства материалов и продуманную геометрию. Например, прыгун Georgia Tech должен был включить позвоночник из углеродного волокна внутрь своего резинового тела, чтобы сделать действие пружины достаточно мощным. Интеграция датчиков и систем управления также является сложной задачей. Инженеры Университета штата Пенсильвания отмечают,традиционная электроника жесткая и заморозит мягкого робота на месте.

Чтобы сделать своего крошечного ползающего спасательного робота «умным», им пришлось аккуратно распределить гибкие схемы по всему телу, чтобы он все еще мог сгибаться. Даже найти источники энергии сложнее: некоторые мягкие роботы используют внешние магнитные поля или сжатый воздух, потому что переноска тяжелой батареи утяжелила бы их.

Мягкие роботы, созданные по образу нематод, из Технологического института Джорджии (Фото: Кэндлер Хоббс)

Еще одним препятствием является использование правильной физики. Команда нематод-роботов узнала, что перегибы на самом деле помогают. В обычной резиновой трубке перегиб быстро останавливает поток; но в мягком черве он медленно создает внутреннее давление, позволяя гораздо больше сгибаться перед высвобождением. Экспериментируя с моделированием и даже с моделями наполненных водой воздушных шаров, исследователи показали, что их гибкое тело может удерживать много упругой энергии при сгибании, а затем высвобождать ее одним быстрым прыжком. Результат замечательный: из состояния покоя робот может прыгать на 10 футов в высоту, повторяясь, просто сгибая свой позвоночник. Эти прорывы — поиск способов магазин и освободить энергия в резиноподобных материалах – типичны для мягкой робототехники.

Реальные прыгуны и помощники

Для чего нужны все эти мягкие роботы? В принципе, они могут справляться с ситуациями, которые слишком опасны или неудобны для жестких машин. Например, в зонах стихийных бедствий мягкие боты могут пробираться под обломками или в рухнувшие здания, чтобы найти выживших. Университет штата Пенсильвания показал прототип мягкого гусеничного робота с магнитным управлением, который мог перемещаться по плотным завалам или даже проходить по каналам размером с кровеносный сосуд.

В медицине микроскопические мягкие роботы могли бы доставлять лекарства непосредственно в тело. В одном исследовании Массачусетского технологического института предполагалось, что тонкий, как нить, мягкий робот будет плавать по артериям и очищать тромбы, потенциально леча инсульты без открытой операции. Ученые Гарварда также работают над мягкими носимыми экзоскелетами — легким надувным рукавом, который помогал пациентам с БАС поднимать плечо, немедленно улучшая диапазон их движений.

Космические агентства также присматриваются к мягким прыгунам. Колеса могут застрять на песке или камнях, но прыгающий робот может перепрыгивать через кратеры и дюны. НАСА даже представляет себе новые прыгуны для Луны и ледяных лун. В одной из концепций бот размером с футбольный мяч называется ВОРОБЕЙ будут использовать паровые струи (из кипящего льда), чтобы прыгать на многие мили по Европе или Энцеладу. В условиях низкой гравитации этих лун небольшой прыжок имеет очень большое значение — ученые отмечают, что прыжок робота на один метр на Земле может перенести его на сто метров на Энцеладе. Идея заключается в том, что десятки таких прыгунов могли бы роиться по инопланетной местности «с полной свободой передвижения», где колесные марсоходы застряли бы. Возвращаясь на Землю, будущие мягкие прыгуны могли бы помогать в поисково-спасательных миссиях, перепрыгивая через реки, грязь или нестабильную почву, которые остановят обычных роботов.

Мягкие роботы также находят работу в промышленности и сельском хозяйстве. NSF указывает, что они могли бы стать безопасными помощниками на фабриках или фермах, поскольку они подчиняются, если на пути оказывается человек. Исследователи даже создали 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 конце концов, эксперты полагают, что мягкая робототехника кардинально изменит многие области. От червей до носимых костюмов и лунных прыгунов, эта исследовательская ветка показывает, как изучение крошечных существ может привести к большим скачкам в технологиях.