Майже живі. Чи зможуть м'які роботи перевершити всіх інших істот

М'яка робототехніка спеціалізується на створенні роботів з матеріалів, схожих на тканини людського організму. Виходять машини більш гнучкі, адаптивні і безпечні для людей, що робить їх зручними для використання в медицині і на виробництві. Втім, всім зрозуміло, що вони можуть представляти інтерес і для військових. Ми розповімо про новітні розробки, які свідчать про те, що ця галузь у своєму розвитку вже впритул підійшла до етапу практичного застосування.

Натхненні медузами

Американські інженери створили м'яких роботів, зовні схожих на медуз. Нова конструкція дозволяє їм бути більш потужними і продуктивними, ніж попередні моделі, і рухатися швидше самих тварин.

"Наші попередні дослідження зосередилися на створенні м'яких роботів, на яких нас надихнули гепарди. Але хоча вони були дуже швидкими, у них все ще був жорсткий внутрішній хребет", – говорить Цзе Інь, доцент кафедри механічної та аерокосмічної інженерії Університету штату Північна Кароліна і автор статті про нових роботів, яка вийшла в журналі Advanced Materials Technologies 30 червня.

Робот-гепард був однією з найбільш швидких моделей у "м'якій" робототехніці. Його робота будувалася за принципом перемикання між двома станами: під час руху він згинав і розгинав "хребет", що забезпечувало йому достатній відрив від землі і високу швидкість. Однак твердий хребет знижував продуктивність.

Вчені вирішили створити робота, який буде рухатися за таким же принципом, але складатися тільки з м'яких матеріалів. Вони сконструювали його з трьох шарів еластичного полімеру: верхній сильно натягнутий, а нижній містить всередині кільцеподібний повітряний канал – в результаті утворюється купол. Між ними знаходиться третій, ненапруженний шар, який змушує робота рухатися в певному напрямку. В розслабленому стані пристрій згинається і виглядає, як чаша. А коли в канал корпусу надходить повітря, робот розправляється і стає схожий на медузу, з силою виштовхуючи назбирану воду і рухаючись вперед. Під час експерименту крихітному роботу вдалося розігнатися до 53,3 мм/с (для порівняння, звичайні медузи, за якими спостерігали вчені, рухалися зі швидкістю до 30 мм/с).

Дослідницька група показала ще декілька моделей. Перша – швидкий механізм, схожий на гусінь. Він попередньо згортається, а потім викидає своє тіло вперед за рахунок накопиченої енергії. Робот теж складається з трьох шарів: верхнього – натягнутого, нижнього з повітряним каналом всередині і третього – розслабленого, який змушує його рухатися, як личинка.

Нарешті, вчені створили тристоронній робот-захоплювач. Цей пристрій забезпечує воістину "мертву хватку". Справа в тому, що більшість звичайних механічних захоплень спочатку відкриті, і їм потрібна енергія, щоб утримувати вантаж. Конструкція нової моделі інша: щупальця робота стиснуті, і треба докласти зусиль, щоб розтиснути їх. Як тільки вони оточують ціль, то автоматично закриваються і міцно її тримають. "Перевага тут в тому, що вам не потрібна енергія, щоб триматися за об'єкт під час транспортування, – це більш ефективно", – підкреслює Цзе Інь.

Роботизований текстиль

Команда дослідників з Гарвардського університету 2 липня представила розумний матеріал, який може сам змінювати форму. Його можна масово виробляти.

Як зазначає Engadget, взагалі-то роботизовані тканини були відомі і раніше. Але зазвичай така тканина працює у зв'язці з громіздкими зовнішніми машинами, які змінюють тиск повітря всередині тканини, щоб змусити її рухатися або змінювати свою форму. Оскільки це обмежує потенційне застосування подібних тканин, гарвардська команда задалася метою створити м'якого робота на текстильній основі, який був би здатний сам себе регулювати.

Свою роботизовану тканина вчені назвали Smart Thermally Actuating Textiles (STATs). Вона складається з герметично закритих пакетів, що містять інженерну рідину Novec 7000. При нагріванні рідина випаровується, що збільшує обʼєм тканини. Але коли Novec 7000 охолоджується, то конденсується назад у рідину, тим самим зменшуючи тканину.

Щоб позбутися від потреби в зовнішньому пристрої, який регулював би форму тканини, дослідники вплели в матеріал електропровідні сріблясті нитки. Вони служать в якості нагрівальних і сенсорних елементів розумною тканиною, дозволяючи змінювати температуру і тиск, необхідні для перетворення рідини в пару і навпаки.

Вчені заявили, що вони можуть виробляти тканину масово і з довільною формою, що дає широкий спектр для її застосування. Її можна використовувати, наприклад, в механотерапевтичних зносостійких матеріалах, які прискорюють відновлення живих тканин. Дослідники також пропонують використати її в подушках з чуйним відгуком, щоб люди з інвалідністю могли підлаштувати їх під себе.

Оживають на світлі

Тим часом інші американські вчені розробили роботизовану м'яку матерію, яка починає рухатися, повзати і крутитися, коли на неї потрапляє світло. Стаття про це досягнення опублікована в Nature Materials 22 червня.

Дослідники з Північно-Західного університету (штат Ілінойс) створили сімейство м'яких синтетичних матеріалів. Якщо на них падає сонячне світло, вони ніби оживають: починають ворушитися, згинатися і навіть повзати по поверхні без допомоги будь-якої додаткової апаратури.

Вчені пов'язали нанорозмірні пептидні матриці з полімерними сітками, що реагують на синє світло. Саме завдяки цьому і вийшов матеріал, що оживає на світлі. Вся справа в тому, що поки що світла немає, то цей матеріал гідрофільний, тобто він притягує вологу. Але коли на нього потрапляють світлові промені, хімічна реакція змінює його властивості: він стає гідрофобним, тобто водовідштовхувальним. Тому під час дії світла він починає ніби стискатися, витісняючи вологу. Якщо керувати світлом, то матеріал можна змусити рухатися певним чином.

За словами дослідників, такий роботизований матеріал може виконувати багато різних завдань – від медичних до енергетичних і екологічних. Автори впевнені, що завдяки властивості приймати будь-які форми цей матеріал може стати корисним у всіх галузях людської діяльності.

Летючий робот-змій

Вчені з Virginia Tech (Політехнічний інститут і Університет штату Вірджинія, США) представили свою роботу над моделлю летючого робота-змія. Її розробили, спостерігаючи за цими плазунами.

Інженери надихнулися летючими зміями, які можуть подолати по повітрю до 24 м, контролюючи напрямок свого руху спеціальними коливаннями – хвилястістю тіла. Це скоріше стратегія стабілізації їх польоту, а не еволюційний залишок загальної поведінки змій, стверджують вірджинські вчені в своїй статті в престижному науковому журналі Nature Physics, що вийшла 29 червня. Їхня робота в остаточному підсумку може привести до створення нового, вдосконаленого шаблону керування для динамічних летючих роботів.

Як розповідає Ars Technica, спочатку вчені спостерігали за піддослідними зміями, які стрибали зі штучних гілок, прикріплених до високої підставки. Інженери фіксували рух тварин за допомогою чотирьох камер. Це дозволило створити тривимірні моделі положення тіла в польоті, проаналізувати сили, що діють на тіло, і основну динаміку ковзання.

Наступним кроком було створення тривимірної моделі летючої змії і вивчення закономірностей течії рідини навколо неї в баку з проточною водою. Крім того, шляхом комп'ютерного моделювання дослідники вивчили закономірності повітряного потоку навколо змії. Вони виявили, що під час польоту змія робить певні рухи, щоб зробити себе більш аеродинамічною.

І ось після цього вчені провели дослідження польоту летючих змій на випробувальному полігоні, в який був перетворений чотириповерховий Центр мистецтв Virginia Tech (звичайно ж, він був належним чином модифікований для безпеки змій). У центр сцени було вміщене штучне дерево, вкрите штучними листям і виноградними лозами. Воно служило приманкою для змій, які летіли (тобто ковзали по повітрю) до нього через увесь зал з товстої гілки цього дуба, встановленої на висоті 8 м. Експеримент тривав дев'ять днів. 23 камери вели запис руху, використовуючи сигнали відбивних інфрачервоних маркерів, приклеєних вздовж спинної поверхні тіла змій.

Як виявилося, перед польотом змії виповзають до кінця гілки звисають із неї, починаючи вибирати напрямок. Визначивши, куди треба летіти, змії відштовхуються від гілки хвостом і відправляються у вільний політ. Під час польоту змії розправляють ребра і втягують живіт, завдяки чому в нижній частині тіла створюється увігнута поверхня. Виходить якась подоба парашута, який дозволяє змії здійснювати різні маневри в повітрі. У рамках наукової роботи дослідники зробили понад 130 записів. Вивчивши їх, вони з'ясували, що під час маневрів змії згинають свої тіла не тільки з боку в бік, але і рухають ними згори вниз. При цьому всі рухи максимально плавні й хвилеподібні – це важливо для точності польоту. У підсумку змії долітають до вибраної гілки і обхоплюють її всім тілом, щоб не впасти.

На основі цих даних учені розробили "анатомічно точну" тривимірну математичну модель польоту змії та провели моделювання ковзання як з хвилястістю, так і без неї, з урахуванням інерційних і аеродинамічних ефектів. Вони виявили, що, хоча імітація ковзання без хвилястості може досягати певної відстані, такі ковзання в кінцевому підсумку виявляються невдалими через дестабілізаційний вплив хитавиці і кручення. Навпаки, імітовані ковзання, що включали хвилястість, стабілізували обертальний рух, дозволяючи набагато більш довге ковзання.

Робота повинна бути корисною для поліпшення дизайну м'яких летючих роботів. "Нещодавно виявлені кінематичні компоненти повітряної хвилястості забезпечують теоретичну основу для проектування біоподібного летючого змія-робота, який ковзає, використовуючи повітряну хвилястість в якості шаблону управління", – анонсували автори дослідження. Вони планують представити перший пристрій до 2022 р.

Підводний розвідник

Серед вже створених цілком "життєздатних" пристроїв варто відзначити китайську розробку – м'якого гнучкого робота-ската. Цей гнучкий апарат з дистанційним управлінням не має ні двигуна, ні гвинтової турбіни, однак плаває спритно і швидко, імітуючи рухи ската. Навіть зовні він нагадує дрібного ската вагою 90 г, довжиною 18,5 см і з крилами розмахом 20 див.

Ізольована в силіконі літієва батарея забезпечує його енергією на три години безперервного плавання. Ця батарея і пара електромагнітів, які приводять в рух кермове управління хвоста, – єдині жорсткі частини пристрою.

Прозорі м'язи робота виконано з м'якого діелектричного еластомеру – електроактивного полімеру, який змінює форму в залежності від прикладеної до нього напруги. Це дозволяє йому рухати плавниками і просуватися у воді на швидкості 6 см/с. Автори заявляють, що це вдвічі швидше попереднього рекорду для не пов'язаних проводом апаратів, хоча поки що і повільніше, ніж у справжніх скатів. Зате робот показав, що може нести мініатюрну відеокамеру і плавати у воді при температурі від 0,4 до 74 °C.

Китайським інженерам вдалося досягти високої деталізації і тривалого часу роботи без підзарядки за допомогою ще одного оригінального рішення. Замість того, щоб добиватися повної герметизації електричних компонентів апарату, вони, навпаки, використовували воду в якості одного з електродів його ланцюга.

При подачі напруги на еластомер він здобуває позитивний заряд, притягуючи електрони з навколишньої води і деформуючись, злегка піднімаючи плавці робота. Відключення напруги повертає йому первісну форму, завершуючи руховий цикл. Такий підхід дозволив відмовитися від додаткових шарів ізоляції, зробивши робота компактнішим, легшим і гнучкішим.

Створили його вчені з Чжецзянського університету. Вони вважають, що такі гнучкі конструкції будуть економічні і безпечні для дослідних безпілотних субмарин, які зможуть вивчати залишки кораблів і коралові рифи. Не гірше підійдуть м'які роботи і для складання карт морського дна і розвідки під водою.

М'язи-орігамі

Використання м'яких робототехнічних систем приваблює можливістю зробити різні пристрої більш універсальними, біосумісними і ефективними при виконанні багатьох завдань. Однак спроби сконструювати роботів з м'яких полімерів наштовхуються на проблему: пристрої найчастіше виявляються занадто "слабосильными", що звужує коло їхніх потенційних застосувань.

Проте при всій своїй нинішній слабкості м'які роботи можуть бути наділені величезною силою. Принаймні, так стверджує команда вчених з Гарвардського університету і Массачусетського технологічного університету. Вона розробила штучні м'язи шкіри на складному каркасі, які зроблять рухомих м'яких роботів точними і неймовірно сильними. Свою розробку команда назвала FOAM, що розшифровується як "рідкі штучні м'язи, натхненні орігамі". Так-так, геометрія каркасу запозичена з японського мистецтва орігамі.

Складається ця система з внутрішнього каркасу, який може бути виконаний з металу або пластику. Каркас оточується герметичними порожнинами для руху газу або рідини і, нарешті, покривається зовнішнім шаром шкіри". Пониження тиску за рахунок відкачування рідини або газу змушує її "прилипати" до каркасу і створює в ньому напруги, які призводять до руху. Конструкція визначає, як і куди буде направлятися рух, який створює скорочення штучних м'язів. Вчені показали, як, змінюючи тиск, можна добиватися потрібних рухів.

Автори сконструювали десятки таких пристроїв на основі різних матеріалів каркасу і "шкіри", що приводяться в дію водою і повітрям. Один варіант забезпечує високий рівень скорочення від вихідної довжини; інший дав точність, яка дозволяє підняти квітку, не зламавши її; третій просто згортається спіраллю.

Штучні м'язи здатні рухатися не тільки різними способами, але і з дивовижною пружністю. Вони можуть генерувати приблизно в шість разів більше сили на одиницю площі, ніж скелетні м'язи ссавців, і при цьому бути неймовірно легкими. 2,6-грамовий м'яз може підняти 3-кілограмовий об'єкт, що еквівалентно крижню, що піднімає автомобіль.

"Ми були дуже здивовані, наскільки потужними виявилися м'язи-орігамі. Ми, звісно, очікували більш високої функціональності, ніж зазвичай у м'яких роботів. Але ми не чекали збільшення в тисячі разів. Це як дати їм суперсилу", – говорить співавтор розробки професор Даніела Рос. За її словами, на основі такої системи можуть бути створені роботи для безлічі різних застосувань.

Додає оптимізму й те, що один такий м'яз може бути створений за десять хвилин з матеріалів, які коштують менше $1. Завдяки дешевизні цих пристроїв їх легко тестувати, змінювати, модифікувати, а також комбінувати один з одним для створення м'яких роботів з неймовірними здібностями. Можливо, вже незабаром такі фантастичні пристрої будуть жити поруч з нами. Маленькі, милі, смішні. І заодно безшумні, скрадливі, з самонавчальним штучним інтелектом.