Черв’яки, пружини та м’які робототехніка: крихітні істоти надихають на великі стрибки

Дослідники з Georgia Tech недавно представили вражаюче досягнення: 5-дюймового м’якого робота, який може катапультувати себе на 10 футів у повітря – висоту баскетбольної кільця – без жодних ніг. Дизайн був натхненний скромним нематодою, крихітним круглим черв’ям, тоншим за людське волосся, яке може стрибати багато разів свою довжину. 

Згинанням свого тіла в тісні згини, черв’як запасає пружинну енергію, а потім раптово звільняє її, відкидаючи себе вгору або назад, як акробатичний гімнаст. Інженери повторили цей рух. Їхній «SoftJM» робот є по суті гнучкою силіконовою паличкою зі стійким вуглецевим волокнистим хребтом. В залежності від того, як він згинається, він може стрибати вперед або назад – навіть якщо у нього немає коліс або ніг.

У дії нематодний робот скручується так само, як людина присідає, потім вибухово розгинається, щоб стрибнути. Камера високої чутливості показує, як черв’як згинає свою голову вгору та згинається в середині тіла, щоб стрибнути назад, потім випрямляється та згинається в хвості, щоб стрибнути вперед. 

Команда Georgia Tech виявила, що ці тісні згини – зазвичай проблема в шлангах або кабелях – насправді дозволяють черв’ю та роботові запасати набагато більше енергії. Як зазначив один дослідник, зігнуті соломинки або шланги безкорисні, але зігнутий черв’як діє як заряджена пружина. У лабораторії м’який робот відтворив цей трюк: він «згинає» свою середину або хвіст, напружується та потім звільняє в спалаху (близько однієї десятої мілісекунди), щоб піднятися в повітря.

М’які робототехніки на підйомі

М’яка робототехніка – це молода, але швидко зростаюча галузь, яка часто бере натхнення з природи. На відміну від жорстких металевих машин, м’які робототехніки виготовлені з гнучких матеріалів, які можуть стискатися, розтягуватися та адаптуватися до свого оточення. Ранні вехи в галузі включають Octobot Гарварду – автономного робота, виготовленого повністю з силікону та рідинних каналів, без жодних жорстких деталей, натхненого м’язами восьминога. З тих пір інженери побудували зоопарк м’яких машин: від черв’якоподібних повзунів та желатинових захватів до носимих «екзокостюмів» та котячих, подібних на лозу, роботів. 

Наприклад, дослідники Єльського університету створили м’якого робота, натхненого черепахою, чий ноги перемикаються між м’якими ластами та твердими «наземними» ногами в залежності від того, чи плаває він чи ходить. У Каліфорнійському університеті вчені створили робот, подібний на лозу, який росте до світла за допомогою тільки світлочутливої «шкіри» – він буквально розтягується через вузькі простори, як стебло рослини. Ці та інші біоінспіровані інновації показують, як м’які матеріали можуть створювати нові режими руху.

Загалом, прихильники стверджують, що м’які робототехніки можуть зайти туди, куди традиційні робототехніки не можуть. Національний науковий фонд США зазначає, що адаптивні м’які машини «досліджують простори, раніше недоступні традиційним роботам» – навіть всередині людського тіла. Деякі м’які робототехніки мають програмовані «шкіри», які змінюють свою жорсткість або колір, щоб зливатися з оточенням або захоплювати об’єкти. Інженери також досліджують оригамі/кірігамі-техніки, полімери з пам’яттю форми та інші трюки, щоб ці робототехніки могли перебудовуватися на льоту.

Інженерія гнучкого руху

Створення м’якого робота, який рухається як тварина, супроводжується великими викликами. Без жорстких суглобів або двигунів дизайнери повинні покладатися на властивості матеріалів та хитру геометрію. Наприклад, стрибуну з Джорджії Тех потрібно було включити вуглецевий волокнистий хребет всередині його гумового тіла, щоб зробити пружинний рух досить потужним. Інтеграція датчиків та систем контролю також складна. Як дослідники Пенсильванського університету зазначають, традиційна електроніка жорстка та заморозить м’якого робота на місці.

Щоб зробити свого крихітного повзучого рятувального робота «розумним», їм довелося розподіляти гнучкі схеми по всьому тілу, щоб воно могло ще згинатися. Навіть пошук джерел енергії є складнішим: деякі м’які робототехніки використовують зовнішні магнітні поля або стиснене повітря, оскільки носіння важкої батареї заважало б їм.

Нематодний робот з Джорджії Тех (Фото: Кендлер Хоббс)

Іншим перепоною є використання правильної фізики. Команда нематодного робота дізналася, що згини насправді допомагають. У нормальному гумовому шлангу згин швидко зупиняє потік; але в м’якому черв’ї він повільно нарощує внутрішній тиск, дозволяючи набагато більше згинання перед звільненням. Експериментуючи з симуляціями та навіть моделями, наповненими водою, балонів, дослідники показали, що їхнє гнучке тіло може зберігати багато пружинної енергії, коли згинається, а потім звільняти її в одному швидкому стрибку. Результат вражаючий: з місця робот може стрибати на 10 футів у висоту, повторно, просто згинаючи свій хребет. Ці прориви – знахідка способів зберігати та звільняти енергію в гумових матеріалах – характерні для інженерії м’якої робототехніки.

Реальні стрибуни та помічники

Для чого всі ці м’які робототехніки хороші? В принципі, вони можуть впоратися з ситуаціями, які є надто небезпечними або незручними для жорстких машин. У зонах катастроф м’які боти можуть пролізти під уламки або в зруйновані будівлі, щоб знайти виживших. Пенсильванський університет показав прототип магнітно-контрольованого м’якого повзунця, який міг переміщатися через вузькі уламки або навіть рухатися через канали, подібні до судин.

У медицині мікроскопічні м’які робототехніки могли б доставляти ліки безпосередньо в тіло. У одному дослідженні Массачусетського технологічного інституту уявлявся ниткоподібний м’який робот, який міг би плавати через артерії та очищати тромби, потенційно лікуючи інсульти без відкритої операції. Вчені Гарварду працюють над м’якими носимими екзоскелетами – легкою надувною манжетою, яка допомогла пацієнтам з ALS підняти плече, негайно покращуючи їхній діапазон руху.

Космічні агентства також розглядають м’яких стрибунів. Колеса можуть застрягти в піску або на каменях, але стрибучий робот міг би стрибати через кратери та дюни. НАСА навіть уявляє собі нові стрибуни для Місяця та крижаних супутників. У одному концепті, футбольний м’ячоподібний робот під назвою SPARROW би використовував парові струмені (від киплячого льоду), щоб стрибати на багато миль по Європі чи Енцеладу. У низькій гравітації цих місяців маленький стрибок проходить дуже далеко – вчені зазначають, що стрибок робота на 1 метр на Землі міг би нести його на 100 метрів на Енцеладі. Ідея полягає в тому, що десятки цих стрибунів могли б розсипатися по чужоземному ландшафту «з повною свободою руху», де колісні ровери застрягли б. Назад на Землі майбутні м’які стрибуни могли б допомогти в пошуково-рятувальних місіях, стрибаючи через річки, болото чи нестабільну землю, яка зупинила б традиційних роботів.

М’які робототехніки також знаходять роботу в промисловості та сільському господарстві. Національний науковий фонд США зазначає, що вони могли б стати безпечними помічниками на заводських підлогах або на фермах, оскільки вони підкоряються, якщо людина знаходиться на їхньому шляху. Дослідники навіть побудували м’які захвати, які ніжно беруть дрібний фрукт без пошкодження його. Гнучкість м’яких машин означає, що вони можуть діяти в місцях, які є надто малими або гнучкими для жорстких пристроїв.

У кінцевому підсумку експерти вважають, що м’яка робототехніка фундаментально змінить багато галузей. Від черв’їв до носимих костюмів та місячних стрибунів, ця дослідницька нитка показує, як вивчення крихітних істот може привести до великих стрибків у технологіях.