Черв’яки, пружини та м’які роботи: крихітні істоти надихають на гігантські стрибки

Дослідники в Georgia Tech недавно представили вражаюче досягнення: 13-сантиметрового м’якого робота, який може катапультувати себе на висоту 3 метри – висоту баскетбольної щитка – без жодних ніг. Дизайн був натхненний скромним нематодою, крихітним круглим черв’ям, тоншим за людське волосся, який може стрибати багато разів свою довжину. 

Згинанням свого тіла в тугі звивини, черв’як запасає пружнинну енергію, а потім раптово звільняє її, відкидаючи себе вгору або назад, як акробатичний гімнаст. Інженери скопіювали цей рух. Їхній «SoftJM» робот по суті є гнучкою силіконовою паличкою з жорстким вуглецевим волокном. В залежності від того, як він згинається, він може стрибати вперед або назад – навіть якщо в нього немає коліс або ніг.

У дії нематода-робот згортається майже як людина, яка присідає, потім вибухово розгортається, щоб стрибнути. Камера високої чутливості показує, як черв’як згинає свою голову вгору та робить звивини в середині тіла, щоб стрибнути назад, потім випрямляється та робить звивини в хвості, щоб стрибнути вперед. 

Команда Georgia Tech виявила, що ці тугі звивини – зазвичай проблема в шлангах або кабелях – насправді дозволяють черв’ю та роботові запасати набагато більше енергії. Як зазначив один дослідник, звивисті соломинки або шланги безкорисні, але звивистий 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 вибуху (близько однієї десятої мілісекунди) щоб злетіти в повітря.

М’які роботи 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 роботи виготовлені з гнучких матеріалів, які можуть стискатися, розтягуватися та адаптуватися до свого оточення. Ранні віхи 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 «ексо-костюмів» та котячих роботів, подібних на лози. 

Наприклад, дослідники Єльського університету створили м’якого робота, натхненого черепахою, чий ноги перемикаються між м’якими ластами та твердіми «ногами» в залежності від того, чи плаває він, чи ходить. У UCSB вчені виготовили робота, подібного до лози, який росте до світла, використовуючи лише світлочутливу «шкіру» – він буквально розтягується через вузькі простори, як рослинний стебло. Ці та інші біо-натхненні інновації показують, як м’які матеріали можуть створювати нові режими руху.

Загалом, прихильники стверджують, що м’які роботи можуть потрапляти туди, куди традиційні роботи 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 роботи 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 роботи 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, стрибун Georgia Tech мав включати вуглецеве волокно всередині свого гумовому тіла, щоб зробити пружнинний рух досить потужним. Інтеграція датчиків та систем контролю також складна. Як інженери Пенсільванського університету зазначають, традиційна електроніка жорстка та заморозить м’якого робота на місці.

Щоб зробити свій крихітний робот-рятувальник «розумним», їм довелося розподілити гнучкі схеми по всьому тілу, щоб він міг ще згинатися. Навіть пошук джерел енергії є складнішим: деякі м’які роботи використовують зовнішні магнітні поля або стиснене повітря, оскільки носіння важкої батареї заважало б їм.

Нематода-робот від Georgia Tech (Фото: Candler Hobbs)

Іншим перепоною є використання правильної фізики. Команда нематоди-робота дізналася, що звивини насправді допомагають. У нормальному гумовому шлангу звивина швидко зупиняє потік; але в м’якому черв’яку вона повільно наростає внутрішній тиск, дозволяючи набагато більше згинання перед звільненням. Експериментуючи з симуляціями та навіть моделями з водяними балонами, дослідники показали, що їхнє гнучке тіло може зберігати багато пружнинної енергії, коли згинається, а потім звільняти її в одному швидкому стрибку. Результат вражаючий: з місця робот може стрибати на висоту 3 метри, повторно, просто згинаючи свій хребет. Ці прориви – знахідка способів зберігати та звільняти енергію в гумових матеріалах – є типовими для інженерії м’якої робототехніки.

Реальні стрибуни та помічники

До чого ж усі ці м’які роботи добрі? В принципі, вони можуть впоратися з ситуаціями, які є надто небезпечними або незручними для жорстких машин. У зонах катастроф м’які боти можуть проникати під уламки або в зруйновані будівлі, щоб знайти виживших. Пенсільванський 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 роботи могли б доставляти ліки безпосередньо в тіло. У одному дослідженні MIT було запропоновано ниткоподібного м’якого робота, 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 звернули увагу на м’яких стрибунів. Колеса можуть застрягнути в піску або на каменях, але стрибучий робот міг би стрибати через кратери та дюни. NASA навіть уявляє собі нові стрибуни для Місяця та крижаних місяців. У одному концепті, футбольний м’яч-сized робот під назвою SPARROW міг би використовувати парові викиди (від кип’яченої криги), щоб стрибати багато миль через Європу чи Енцелад. На низькій гравітації цих місяців малий стрибок проходить дуже далеко – вчені зазначають, що стрибок робота на один метр на Землі міг би нести його на сотню метрів на Енцеладі. Ідея полягає в тому, що десятки цих стрибунів могли б роїтися 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 місцевість, яка зупинила б традиційних роботів.

М’які роботи також знаходять застосування в промисловості та сільському господарстві. Національний науковий фонд США зазначає, що вони могли б стати безпечними помічниками на фабричних підлогах або на фермах, оскільки вони реагують, якщо людина перебуває на їхньому шляху. Дослідники навіть побудували м’які захвати, які ніжно беруть делікатне фрукти без пошкодження. Гнучкість м’яких машин означає, що вони можуть діяти в місцях, які є надто малими або гнучкими для жорстких пристроїв.

У підсумку експерти вважають, що м’яка робототехніка фундаментально змінить багато галузей. Від черв’їв до носимих костюмів та місячних стрибунів, ці дослідження показують, як вивчення крихітних істот може призвести до гігантських стрибків у технологіях.