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

Исследователи в Georgia Tech недавно представили впечатляющее достижение: мягкого робота длиной 5 дюймов, который может запустить себя на 10 футов в воздух – высоту баскетбольной корзины – без каких-либо ног. Дизайн был вдохновлен скромным нематодой, крошечным круглым червем, тоньше человеческого волоса, который может прыгать много раз свою длину.

Сжимая свое тело в плотные складки, червь хранит эластическую 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 спином. В зависимости от того, как он сгибается, он может прыгать вперед или назад – даже если у него нет колес или ног.

В действии робот, вдохновленный нематодой, сворачивается так же, 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 плотные складки – обычно проблема в шлангах или кабелях – на самом деле позволяют червю и роботу хранить гораздо 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 – это молодая, но быстро растущая область, которая часто берет подсказки 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 от Harvard – автономного робота, сделанного полностью из силикона и жидкостных каналов, без жестких деталей, вдохновленного 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 вялыми ластами и твердыми “наземными ногами” в зависимости от того, плавает ли он или идет. В UCSB ученые сделали виноградный робот, который растет к свету, используя только светочувствительную “кожу” – он буквально продлевается через узкие пространства, как стебель растения. Эти и другие био-вдохновленные инновации показывают, как мягкие материалы могут создавать новые режимы движения.

В целом, сторонники утверждают, что мягкие роботы могут идти 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 слиться или схватить 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 двигаться, как животное, сопряжено с большими проблемами. Без жестких суставов или двигателей дизайнеры должны полагаться на свойства материалов и умную геометрию. Например, прыгуну Georgia Tech пришлось включить карбоновый спин внутри его резинового тела, чтобы сделать пружинное действие достаточно мощным. Интеграция датчиков и систем управления также сложна. Как инженеры Penn State указывают, традиционная электроника жесткая и заморозит мягкого робота на месте.

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

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

Другой препятствием является использование правильной физики. Команда нематодного робота узнала, что складки на самом деле помогают. В нормальном резиновом шланге складка быстро останавливает поток; но в мягком черве она медленно наращивает внутреннее давление, позволяя гораздо больше сгибания перед выпуском. Экспериментируя с симуляциями и даже моделями, наполненными водой, исследователи показали, что их гибкое тело может хранить много эластической энергии, когда оно согнуто, а затем выпустить ее в один быстрый прыжок. Результат замечательный: с места робот может прыгнуть на 10 футов вверх, повторно, просто сгибая спину. Эти прорывы – нахождение способов хранить и выпускать энергию в резиновых материалах – типичны для инженерии мягкой робототехники.

Реальные прыгуны и помощники

Что такое все эти мягкие роботы хороши для? В принципе, они могут справиться с ситуациями, слишком опасными или неудобными для жестких машин. В зонах бедствий, например, мягкие роботы могут ползти под обломками или в разрушенные здания, чтобы найти выживших. Penn State показал прототип магнитно-контролируемого мягкого ползунка, который мог ориентироваться в узких обломках или даже двигаться через каналы размером с кровеносные сосуды.

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

Космические агентства также смотрят на мягких прыгунов. Колеса могут застрять в песке или на камнях, но прыгающий робот мог бы преодолевать кратеры и дюны. NASA даже представляет себе новые прыгуны для Луны и ледяных спутников. В одном концепте, футбольный робот размером с мяч под названием SPARROW использовал бы паровые струи (от кипящего льда), чтобы прыгать на многие мили через Европу или Энцелад. В низкой гравитации этих спутников небольшой прыжок проходит очень далеко – ученые отмечают, что прыжок робота на один метр на Земле мог бы нести его на сто метров на Энцеладе. Идея состоит в том, что десятки этих прыгунов могли бы распространиться по инопланетной местности “с полной свободой путешествовать”, где колесные роверы застряли бы. Назад на Земле будущие мягкие прыгуны могли бы помочь в поисково-спасательных миссиях, прыгая над реками, грязью или нестабильной почвой, которая остановила бы традиционных роботов.

Мягкие роботы также находят работу в промышленности и сельском хозяйстве. Национальный научный фонд США отмечает, что они могли бы стать безопасными помощниками на заводских полах или на фермах, потому что они подчиняются, если человек находится на пути. Исследователи даже построили мягкие захваты, которые осторожно берут хрупкие фрукты без повреждения. 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 до лунных прыгунов, это исследование показывает, как изучение крошечных существ может дать большие скачки в технологиях.