Почти живые. Смогут ли мягкие роботы превзойти всех остальных существ

Мягкая робототехника специализируется на создании роботов из материалов, похожих на ткани человеческого организма. Получаются машины более гибкие, адаптивные и безопасные для людей, что делает их удобными для использования в медицине и на производстве. Впрочем, всем понятно, что они могут представлять интерес и для военных. Мы расскажем о новейших разработках, свидетельствующих о том, что эта отрасль в своем развитии уже вплотную подошла к этапу практического применения.

Вдохновленные медузами

Американские инженеры создали мягких роботов, внешне похожих на медуз. Новая конструкция позволяет им быть более мощными и производительными, чем предыдущие модели, и двигаться быстрее самих животных.

"Наши предыдущие исследования сосредоточились на создании мягких роботов, на которых нас вдохновили гепарды. Но хотя они были очень быстрыми, у них все еще был жесткий внутренний позвоночник", – говорит Цзе Инь, доцент кафедры механической и аэрокосмической инженерии Университета штата Северная Каролина и автор статьи о новых роботах, которая вышла в журнале Advanced Materials Technologies 30 июня.

Робот-гепард был одной из самых быстрых моделей в "мягкой" робототехнике. Его работа строилась по принципу переключения между двумя состояниями: во время движения он сгибал и разгибал "позвоночник", что обеспечивало ему достаточный отрыв от земли и высокую скорость. Однако твердый хребет снижал производительность.

Ученые решили создать робота, который будет двигаться по такому же принципу, но состоять только из мягких материалов. Они сконструировали его из трех слоев эластичного полимера: верхний сильно натянут, а нижний содержит внутри кольцеобразный воздушный канал – в итоге образуется купол. Между ними находится третий, ненапряженный слой, который заставляет робота двигаться в определенном направлении. В расслабленном состоянии устройство изгибается и выглядит, как чаша. А когда в канал корпуса поступает воздух, робот расправляется и становится похож на медузу, с силой выталкивая ранее собравшуюся воду и двигаясь вперед. Во время эксперимента крохотному роботу удалось разогнаться до 53,3 мм/с (для сравнения, обычные медузы, за которыми наблюдали ученые, двигались со скоростью до 30 мм/с).

Исследовательская группа показала еще несколько моделей. Первая – быстродвижущийся механизм, похожий на гусеницу. Он предварительно сворачивается, а потом выбрасывает свое тело вперед за счет накопленной энергии. Робот тоже состоит из трех слоев: верхнего – натянутого, нижнего с воздушным каналом внутри и третьего – расслабленного, который заставляет его двигаться подобно личинке.

Наконец, ученые создали трехсторонний робот-захват. Это устройство обеспечивает воистину "мертвую хватку". Дело в том, что большинство обычных механических захватов изначально открыты, и им нужна энергия, чтобы удерживать груз. Конструкция новой модели иная: щупальца робота сжаты, и нужно приложить усилия, чтобы разжать их. Как только они окружают цель, то автоматически закрываются и крепко ее держат. "Преимущество здесь в том, что вам не нужна энергия, чтобы держаться за объект во время транспортировки, – это более эффективно", – подчеркивает Цзе Инь.

Роботизированный текстиль

Команда исследователей из Гарвардского университета 2 июля представила умный материал, который может сам менять форму. Его можно производить массово.

Как отмечает Engadget, вообще-то роботизированные ткани были известны и раньше. Но обычно такая ткань работает в связке с громоздкими внешними машинами, которые меняют давление воздуха внутри ткани, чтобы заставить ее двигаться или менять свою форму. Поскольку это ограничивает потенциальное применение подобных тканей, гарвардская команда задалась целью создать мягкого робота на текстильной основе, который был бы способен сам себя регулировать.

Свою роботизированную ткань ученые назвали Smart Thermally Actuating Textiles (STATs). Она состоит из герметично запечатанных пакетов, содержащих инженерную жидкость Novec 7000. При нагревании жидкость испаряется, что увеличивает объем ткани. Но когда Novec 7000 охлаждается, то конденсируется обратно в жидкость, тем самым уменьшая ткань.

Чтобы избавиться от потребности во внешнем устройстве, которое регулировало бы форму ткани, исследователи вплели в материал электропроводящие посеребренные нити. Они служат в качестве нагревательных и сенсорных элементов умной ткани, позволяя менять температуру и давление, необходимые для превращения жидкости в пар и наоборот.

Ученые заявили, что они могут производить ткань массово и с произвольной формой, что дает широкий спектр для ее применения. Ее можно использовать, например, в механотерапевтических износостойких материалах, которые ускоряют восстановление живых тканей. Исследователи также предлагают внедрить ее в подушки с отзывчивым откликом, чтобы люди с инвалидностью могли настраивать их под себя.

Оживающие на свету

Тем временем другие американские ученые разработали роботизированную мягкую материю, которая начинает двигаться, ползать и крутиться, когда на нее попадает свет. Статья об этом достижении опубликована в Nature Materials 22 июня.

Исследователи из Северо-Западного университета (штат Иллинойс) создали семейство мягких синтетических материалов. Если на них падает солнечный свет, они будто оживают: начинают шевелиться, изгибаться и даже ползать по поверхности без помощи какой-либо дополнительной аппаратуры.

Ученые связали наноразмерные пептидные матрицы с полимерными сетками, реагирующими на синий свет. Именно благодаря этому и получился материал, оживающий на свету. Все дело в том, что пока света нет, то этот материал гидрофильный, то есть он притягивает влагу. Но когда на него попадают световые лучи, химическая реакция меняет его свойства: он становится гидрофобным, то есть водоотталкивающим. Поэтому во время воздействия света он начинает как бы сжиматься, вытесняя влагу. Если управлять светом, то материал можно заставить двигаться определенным образом.

По словам исследователей, такой роботизированный материал может выполнять много разных задач – от медицинских до энергетических и экологических. Авторы работы уверены, что благодаря свойству принимать какие угодно формы этот материл может стать полезным в любой области человеческой деятельности.

Летающий робот-змей

Ученые из Virginia Tech (Политехнический институт и Университет штата Вирджиния, США) представили свою работу над моделью летающего робота-змея. Ее разработали, наблюдая за настоящими пресмыкающимися.

Инженеры вдохновились летающими змеями, которые могут преодолеть по воздуху до 24 м, контролируя направление своего движения специальными колебаниями – волнистостью тела. Это скорее стратегия стабилизации их полета, а не эволюционный остаток общего поведения змей, утверждают вирджинские ученые в своей статье в престижнейшем научном журнале Nature Physics, вышедшей 29 июня. Их работа в конечном итоге может привести к созданию нового, усовершенствованного шаблона управления для динамических летающих роботов.

Как рассказывает Ars Technica, сначала ученые наблюдали за подопытными змеями, которые прыгали с искусственных веток, прикрепленных к высокой подставке. Инженеры фиксировали движение животных с помощью четырех камер. Это позволило создать трехмерные модели положения тела в полете, проанализировать силы, действующие на тело, и основную динамику скольжения.

Следующим шагом было создание трехмерной модели летающей змеи и изучение закономерностей течения жидкости вокруг нее в баке с проточной водой. Кроме того, путем компьютерного моделирования исследователи изучили закономерности воздушного потока вокруг змеи. Они обнаружили, что во время полета змея совершает определенные телодвижения, чтобы сделать себя более аэродинамичной.

И вот после этого ученые провели впечатляющее исследование полета летающих змей на испытательном полигоне, в который был превращен четырехэтажный Центр искусств Virginia Tech (конечно же, он был должным образом модифицирован для безопасности змей). В центр сцены было помещено искусственное дерево, покрытое искусственными листьями и виноградными лозами. Оно служило приманкой для змей, которые летели (то есть скользили по воздуху) к нему через весь зал с толстой ветки настоящего дуба, установленной на высоте 8 м. Эксперимент длился девять дней. 23 камеры вели запись движения, используя сигналы отражательных инфракрасных маркеров, приклеенных вдоль спинной поверхности тела змей.

Как оказалось, перед полетом змеи выползают к концу ветки и свисают с нее, начиная выбирать направление. Определив, куда надо лететь, змеи отталкиваются от ветки хвостом и отправляются в свободный полет. Во время полета змеи расправляют ребра и втягивают живот, благодаря чему в нижней части их тела создается вогнутая поверхность. Получается некое подобие парашюта, который позволяет змее осуществлять различные маневры в воздухе. В рамках научной работы исследователи сделали более 130 записей. Изучив их, они выяснили, что во время маневров змеи изгибают свои тела не только из стороны в сторону, но и двигают их сверху вниз. При этом все движения максимально плавные и волнообразные – это важно для точности полета. В конечном итоге змеи долетают до выбранной ветки и обхватывают ее всем телом, чтобы не упасть.

На основе этих данных ученые разработали "анатомически точную" трехмерную математическую модель полета змеи и провели моделирование скольжения как с волнистостью, так и без нее, с учетом инерционных и аэродинамических эффектов. Они обнаружили, что, хотя имитация скольжения без волнистости может достигать некоторого расстояния, такие скольжения в конечном итоге оказываются неудачными из-за дестабилизирующего воздействия качки и кручения. Напротив, имитируемые скольжения, включавшие волнистость, стабилизировали вращательное движение, позволяя намного более длинное скольжение.

Работа должна оказаться полезной для улучшения дизайна мягких летающих роботов. "Недавно обнаруженные кинематические компоненты воздушной волнистости обеспечивают теоретическую основу для проектирования биоподобного летающего змея-робота, который скользит, используя воздушную волнистость в качестве шаблона управления", – анонсировали авторы исследования. Они планируют представить первое устройство к 2022 г.

Подводный разведчик

Среди уже созданных вполне "жизнеспособных" устройств стоит отметить китайскую разработку – мягкого плавающего робота-ската. Этот гибкий аппарат с дистанционным управлением не имеет ни двигателя, ни винтовой турбины, однако плавает ловко и быстро, имитируя движения ската. Даже внешне он напоминает мелкого ската весом 90 г, длиной 18,5 см и с крыльями размахом 20 см.

Изолированная в силиконе литиевая батарея обеспечивает его энергией на три часа непрерывного плавания. Эта батарея и пара электромагнитов, которые приводят в движение рулевое управление хвоста, – единственные жесткие части устройства.

Прозрачные мускулы робота выполнены из мягкого диэлектрического эластомера – электроактивного полимера, который меняет форму в зависимости от приложенного к нему напряжения. Это позволяет ему двигать плавниками и продвигаться в воде на скорости 6 см/с. Авторы заявляют, что это вдвое быстрее предыдущего рекорда для не связанных проводом аппаратов, хотя пока что и медленней, чем у настоящих скатов. Зато робот показал, что может нести миниатюрную видеокамеру и плавать в воде при температуре от 0,4 до 74 °C.

Китайским инженерам удалось достичь высокой миниатюризации и долгого времени работы без подзарядки с помощью еще одного оригинального решения. Вместо того чтобы добиваться полной герметизации электрических компонентов аппарата, они, наоборот, использовали воду в качестве одного из электродов его цепи.

При подаче напряжения на эластомер он приобретает положительный заряд, притягивая электроны из окружающей воды и деформируясь, слегка приподнимая плавники робота. Отключение напряжения возвращает ему первоначальную форму, завершая двигательный цикл. Такой подход позволил отказаться от дополнительных слоев изоляции, сделав робота компактнее, легче и гибче.

Создали его ученые из Чжэцзянского университета. Они считают, что такие гибкие конструкции будут экономичны и безопасны для исследовательских беспилотных субмарин, которые смогут изучать остатки кораблей и коралловые рифы. Не хуже подойдут мягкие роботы и для составления карт морского дна и разведки под водой.

Мышцы-оригами

Использование мягких робототехнических систем привлекает возможностью сделать различные устройства более универсальными, биосовместимыми и эффективными при выполнении множества задач. Однако попытки сконструировать роботов из мягких полимеров наталкиваются на проблему: устройства зачастую оказываются слишком "слабосильными", что сужает круг их потенциальных применений.

Тем не менее при всей своей нынешней слабости мягкие роботы могут быть наделены огромной силой. По крайней мере, так утверждает команда ученых из Гарвардского университета и Массачусетского технологического университета. Она разработала искусственные мышцы из сокращающейся кожи на складном каркасе, которые сделают движения мягких роботов точными и невероятно сильными. Свою разработку команда назвала FOAM, что расшифровывается как "жидкие искусственные мышцы, вдохновленные оригами". Да-да, геометрия каркаса заимствована из японского искусства оригами.

Состоит эта система из внутреннего каркаса, который может быть выполнен из металла или пластика. Каркас окружается герметичными полостями для движения газа или жидкости и, наконец, покрывается внешним слоем "кожи". Понижение давления за счет откачивания жидкости или газа заставляет ее "прилипать" к каркасу и создает в нем напряжения, которые приводят к движению. Конструкция определяет, как и куда будет направляться движение, которое создает сокращение искусственной мышцы. Ученые показали, как, меняя давление, можно добиваться нужных движений.

Авторы сконструировали десятки таких устройств на основе различных материалов каркаса и "кожи", приводимых в действие водой и воздухом. Один вариант обеспечивает высокий уровень сокращения от исходной длины; другой дал точность, которая позволяет поднять цветок, не сломав его; третий просто сворачивается спиралью.

Искусственные мышцы способны двигаться не только разными способами, но и с впечатляющей упругостью. Они могут генерировать примерно в шесть раз больше силы на единицу площади, чем скелетные мышцы млекопитающих, и при этом невероятно легки. 2,6-граммовая мышца может поднять 3-килограммовый объект, что эквивалентно крякве, поднимающей автомобиль.

"Мы были очень удивлены, насколько мощными оказались мышцы-оригами. Мы, конечно, ожидали более высокой функциональности, чем обычно у мягких роботов. Но мы не ждали увеличения в тысячи раз. Это как дать им суперсилу", – говорит соавтор разработки профессор Даниэла Рус. По ее словам, на основе такой системы могут быть созданы роботы для множества разных применений.

Добавляет оптимизма и то, что одна такая мышца может быть создана за десять минут из материалов, которые стоят менее $1. Благодаря дешевизне этих устройств их легко тестировать, варьировать, модифицировать, а также комбинировать друг с другом для создания мягких роботов с самыми невероятными способностями. Возможно, уже вскоре такие фантастические устройства будут обитать рядом с нами. Маленькие, милые, смешные. И заодно бесшумные, вкрадчивые, с самообучающимся искусственным интеллектом.