Новая эра робототехники: мягкие хоботы вытесняют жестких гуманоидов

В представлении многих робот должен быть похож на человека, соответственно, иметь туловище, голову, руки и ноги. Но в последнее время проектировщики робототехнических систем обращают все большее внимание не на внешний вид, а на функциональность устройств. И далеко не всегда жесткость и прочность конструкции, которыми обладают большинство роботов, является положительным качеством. Бывает, что устройству в процессе работы необходимо изменить свою форму и "пережить" внешние воздействия, сила которых может варьироваться в широких пределах. Для этой цели и создаются так называемые мягкие роботы, большинство из которых унаследовали уникальные способности  разнообразных живых существ.  

Змея

На днях исследователи из Лаборатории информатики и искусственного интеллекта (Computer Science and Artificial Intelligence Lab, CSAIL) Массачусетского технологического института представили робота-змею. Это пневматический робот-щупальце с мягкой оболочкой, который способен передвигаться по системам изогнутых труб, каналов и нор. Благодаря своей гибкости он может использоваться в самых разных сферах, в том числе для ремонта и обслуживания атомных станций, а также сборки сложных конструкций самолетов. 

Эндрю Марчезе, один из разработчиков устройства, рассказывает, что робот-змея, изготовленный с помощью технологий трехмерной печати, имеет мягкое тело и мягкий панцирь. Внутри имеются изолированные полости, в которые при помощи системы трубок под давлением накачивается воздух. Это позволяет придать телу робота практически любую форму, изогнуть с любым радиусом и под любым углом, чего невозможно добиться при помощи механических приводов любого типа. Таким образом змея проскользнет туда, куда не в состоянии проникнуть роботы с твердыми элементами конструкции. Немаловажно, что при своей мягкой структуре новый робот довольно прочный.

Сейчас исследователи лаборатории CSAIL занимаются подбором компонентов, таких, как приводы, компрессоры, датчики и электронные узлы, при помощи которых робот-змея сможет обрести максимальную автономность, пусть и за счет некоторого снижения универсальности конструкции. Понизить уровень потери функциональности исследователи планируют за счет максимально возможного использования гибких компонентов - пассивных распределительных клапанов и гибких электронных устройств.

Осьминог

Исследователи из Гарвардского университета создали эластичных роботов-осьминогов, которые могут замаскироваться и стать невидимыми практически в любой среде. Это возможно благодаря специальному маскирующему покрытию, пронизанному множеством миниатюрных каналов. Когда робот передвигается с помощью сжатого воздуха, подаваемого от пневматической системы, каналы покрытия наполняются жидким составом, содержащим специальные флуоресцентные красители. Комбинация различных цветов позволяет воссоздать практически любой цвет, что делает робота незаметным в любой среде.

Один из авторов разработки Стивен Морин рассказывает, что регулируя наполнение каналов красителями можно изменять не только цвет, но и контраст покрытия, а управляя потоками жидкости можно даже создавать на поверхности камуфляжа движущиеся изображения - таким образом возможности робота в некоторых случаях превосходят возможности живого осьминога.

Динамический активный камуфляж полезен в тех случаях, когда машины должны выполнить свою работу, не привлекая к себе излишнего внимания - это могут быть роботы для разведки и наблюдения, спасательные роботы и даже автоматические устройства, ведущие наблюдения за животными в их естественной среде обитания.

Кальмар

Четвероногий робот Softbot - родной брат робота-осьминога, он тоже создан в Гарварде. Благодаря своей мягкой конструкции, он может максимально изменять свою форму и способ передвижения. Это помогает ему перемещаться по самым разным поверхностям, преодолевать препятствия и проникать куда-либо через очень узкие щели и отверстия. Softbot помогает в проведении спасательных работ, исследовании различных труднодоступных поверхностей. Создатели Softbot почерпнули свои идеи из живой природы: в его конструкции присутствуют элементы строения тел некоторых беспозвоночных, таких как кальмары и черви.

Корпус устройства изготовлен из мягкого эластичного материала и представляет собой набор полостей, воздушных камер. Используя систему клапанов, воздух подается к выбранным камерам, которые раздуваются подобно воздушным шарикам и изменяют форму робота, заставляя двигаться его конечности.

Контроль за подачей воздуха и управление клапанами осуществляется несложной микропроцессорной системой управления, в которую также подаются сигналы от высокочувствительных датчиков давления, установленных в каждой воздушной камере. Микропроцессорная система управления преобразовывает заданную последовательность движений и изменений формы в последовательность открытия и закрытия соответствующих пневматических клапанов. Это позволяет Softbot изменять в широких пределах свою форму и совершать разнообразные передвижения, затрачивая, при этом, весьма малое количество энергии.

В этом месяце разработчики представили усовершенствованную, сверхпрочную модель Softbot, которая сохраняет свою целостность и при низких температурах, и при высоких, без потерь выдерживая в течение 50 секунд температуру 1650 градусов по шкале Цельсия. Робот может передвигаться при ветре скоростью 40 километров в час, проходить по водоему, глубиной до 5 сантиметров, выдерживать воздействие кислоты и других активных химических веществ.

Хобот

Это, конечно, не целый слон, но все же. Инженеры из лаборатории Йохена Штайля в Германии создали искусственный хобот из напечатанных на 3D-принтере деталей. В 2010 году, когда разработка только появилась, программное обеспечение для управления роботом было ограниченным. Поначалу конечность, например, двигалась в нужном направлении, однако зачастую совершала движение захвата в нескольких сантиметрах от цели.

Однако Штайль и его коллега Матиас Рольф из университета Билефельда в Германии постепенно оптимизировали систему. Теперь программное обеспечение робота фиксирует информацию о том, какую позицию какая часть хобота занимает при захвате. Кроме того, отслеживаются крошечные перепады давления в тонких пневматических трубках, питающих искусственные мышцы. Таким образом создается схема, которая соотносит точное положение "мышц" хобота со степенью давления в каждой трубке.

Хобот также можно вручную заставить принять определенное положение, после чего робот самостоятельно воспроизведет его по команде. Предполагается, что новое устройство найдет широкое применение в строительстве.

Рыба

Инженеры из Северо-западного университета в США представили новый класс роботов-водолазов, вдохновившись рыбой под названием черная ножетелка. Это хищное морское создание для ориентации в окружающей среде посылает слабый электрический импульс, создаваемый особым органом, а для передвижения совершает волнообразные движения длинным нижним плавником. Оба этих свойства присущи и новым роботам.

Роботы-водолазы, по мнению ведущего автора исследования Малкольма МакИвера, будут особенно полезны для работы в труднодосягаемых и малоосвещенных местах, таких как затонувшие суда. Машины смогут легко маневрировать между препятствиями в полной темноте.

В настоящее время в лаборатории профессора МакИвера моделируется среда, при которой робот сможет реагировать на окружающую действительность и двигаться соответственным образом. Особенности движения инженеры также планируют позаимствовать у ножетелок: рыбы плавают за счет быстрых волнообразных движений, совершаемых длинным нижним плавником.