Червяки, пружины и мягкие роботы: крошечные существа вдохновляют гигантские скачки

Исследователи из Georgia Tech недавно представили впечатляющее достижение: 13-сантиметровый мягкий робот, который может запустить себя на 3 метра в воздух – высоту баскетбольной корзины – без ног. Дизайн был вдохновлен скромным нематодой, крошечным круглым червем, тоньше человеческого волоса, который может прыгать много раз свою длину.

Сгибая свое тело в тугие складки, червь накапливает эластичную энергию, а затем внезапно выпускает ее, отбрасывая себя вверх или назад, как акробатический гимнаст. Инженеры воспроизвели это движение. Их робот “SoftJM” по сути является гибкой силиконовой палкой с жестким карбоновым остовом. В зависимости от того, как он сгибается, он может прыгать вперед или назад – даже без колес или ног.

В действии робот, вдохновленный нематодой, сгибается, как человек, приседающий, затем взрывно распрямляется, чтобы прыгнуть. Высокоскоростная камера показывает, как червь изгибает голову вверх и сгибает середину тела, чтобы прыгнуть назад, затем выпрямляется и сгибается в хвосте, чтобы прыгнуть вперед.

Команда Georgia Tech обнаружила, что эти тугие складки – обычно проблема в шлангах или кабелях – на самом деле позволяют червю и роботу накапливать намного больше энергии. Как отметил один исследователь, сгибаемые соломинки или шланги бесполезны, но сгибаемый червь действует как заряженная пружина. В лаборатории мягкий робот воспроизвел этот трюк: он “сжимает” середину или хвост, напрягается и затем выпускает в всплеске (около одной десятой миллисекунды), чтобы взлететь в воздух.

Мягкие роботы на подъеме

Мягкая робототехника – молодая, но быстро растущая область, которая часто берет подсказки из природы. В отличие от жестких металлических машин, мягкие роботы изготавливаются из гибких материалов, которые могут сжиматься, растягиваться и адаптироваться к окружающей среде. Ранние вехи в этой области включают Octobot от Harvard – автономный робот, изготовленный полностью из силикона и жидкостных каналов, без жестких деталей, вдохновленный мышцами осьминога. С тех пор инженеры построили множество мягких машин: от червеподобных ползунков и желеобразных захватов до носимых “экзокостюмов” и катящихся виноградных роботов.

Например, исследователи из Yale создали мягкого робота, вдохновленного черепахой, чьи ноги переключаются между мягкими ластами и жесткими “наземными ногами” в зависимости от того, плавает ли он или идет. В UCSB ученые создали виноградный робот, который растет к свету, используя только светочувствительную “кожу” – он буквально протягивается через узкие пространства, как стебель растения. Эти и другие биоинспирированные инновации показывают, как мягкие материалы могут создавать новые режимы движения.

В целом, сторонники утверждают, что мягкие роботы могут попасть туда, куда традиционные роботы не могут. Национальный научный фонд США отмечает, что адаптивные мягкие машины “исследуют пространства, ранее недоступные для традиционных роботов” – даже внутри человеческого тела. Некоторые мягкие роботы имеют программируемые “кожи”, которые меняют жесткость или цвет, чтобы сливаться или захватывать объекты. Инженеры также исследуют техники оригами/киригами, полимеры с памятью формы и другие трюки, чтобы эти роботы могли переконфигурироваться на лету.

Инженерия гибкого движения

Сделать мягкого робота, который движется как животное, сопряжено с большими проблемами. Без жестких суставов или двигателей дизайнеры должны полагаться на свойства материалов и умную геометрию. Например, прыгун из Georgia Tech должен был включать карбоновый остов внутри своего резинового тела, чтобы сделать пружинное действие достаточно мощным. Интеграция датчиков и систем управления также сложна. Как инженеры из Penn State отмечают, традиционная электроника жесткая и заморозит мягкого робота на месте.

Чтобы сделать своего крошечного ползущего робота-спасателя “умным”, им пришлось осторожно распределить гибкие схемы по всему телу, чтобы он мог еще сгибаться. Даже поиск источников энергии сложнее: некоторые мягкие роботы используют внешние магнитные поля или сжатый воздух, потому что ношение тяжелой батареи будет его тормозить.

Мягкие роботы, вдохновленные нематодой, из Georgia Tech (Фото: Candler Hobbs)

Еще одной проблемой является использование правильной физики. Команда нематодного робота узнала, что складки на самом деле помогают. В обычной резиновой трубке складка быстро останавливает поток; но в мягком черве она медленно наращивает внутреннее давление, позволяя гораздо больше сгибаться перед выпуском. Экспериментируя с симуляциями и даже моделями, наполненными водой, исследователи показали, что их гибкое тело может удерживать много эластичной энергии, когда сгибается, а затем выпускает ее в одном быстром прыжке. Результат замечательный: с места робот может прыгнуть на 3 метра в высоту, повторно, просто сгибая спину. Эти прорывы – нахождение способов накопления и выпуска энергии в резиновых материалах – типичны для инженерии мягкой робототехники.

Реальные прыгуны и помощники

Для чего же все эти мягкие роботы хороши? В принципе, они могут справиться с ситуациями, слишком опасными или неудобными для жестких машин. В зонах бедствий, например, мягкие роботы могут протиснуться под обломки или в разрушенные здания, чтобы найти выживших. Команда из Penn State показала прототип магнитно-контролируемого мягкого ползунка, который может ориентироваться в тесных обломках или даже двигаться через каналы, размером с кровеносные сосуды.

В медицине микроскопические мягкие роботы могут доставлять лекарства непосредственно в тело. В одном исследовании MIT была представлена нитевидная мягкая робот, которая может плавать через артерии и очищать тромбы, потенциально лечить инсульты без открытой операции. Ученые из Harvard работают над мягкими носимыми экзоскелетами – легкими надувными рукавами, которые помогли пациентам с ALS поднять плечо, сразу же улучшая их диапазон движения.

Космические агентства также рассматривают мягких прыгунов. Колеса могут застрять в песке или на камнях, но прыгающий робот может прыгать через кратеры и дюны. NASA даже представляет себе новые прыгуны для Луны и ледяных спутников. В одном концепте, футбольный робот размером с мяч, называемый SPARROW, будет использовать паровые струи (от кипящего льда), чтобы прыгать на многие километры по Европе или Энцеладу. В условиях низкой гравитации этих спутников небольшой прыжок может унести робота очень далеко – ученые отмечают, что прыжок робота на 1 метр на Земле может унести его на 100 метров на Энцеладе. Идея состоит в том, что десятки этих прыгунов могут распространиться по инопланетной местности “с полной свободой передвижения”, где колесные роботы застрянут. Назад на Земле будущие мягкие прыгуны могут помочь в поисково-спасательных миссиях, прыгая через реки, грязь или нестабильную почву, которая остановит обычных роботов.

Мягкие роботы также находят применение в промышленности и сельском хозяйстве. Национальный научный фонд США отмечает, что они могут стать безопасными помощниками на заводских полах или на фермах, поскольку они подчиняются, если человек находится на пути. Исследователи даже построили мягкие захваты, которые осторожно собирают деликатные 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 считают, что мягкая робототехника фундаментально изменит многие области. От червей до носимых костюмов и лунных прыгунов, эта исследовательская нить показывает, как изучение крошечных существ может привести к большим скачкам в технологиях.