Манипулятор со структурой позвоночника научили сопротивляться кручению
Британские инженеры разработали модульный манипулятор, приводимый в движение с помощью натяжения тросов в нем двумя моторами в основании. Структура из чередующихся 3D-печатных «позвонков» позволяет манипулятору изгибаться в двух направлениях и сопротивляться кручению. Несколько манипуляторов можно последовательно соединить в одну конструкцию, рассказывают авторы статьи, которая будет представлена на конференции ICRA 2019.
Существует множество конструкций для роботизированных манипуляторов. К примеру, распространены манипуляторы из длинных жестких сегментов, на стыках которых закреплены электромоторы, пневматические или гидравлические приводы, или другие актуаторы. Также существуют и более необычные, хотя и не всегда практичные, конструкции, например, полностью пневматический манипулятор с множеством надуваемых полостей. Кроме того, достаточно популярна конструкция, в которой сегменты меняют свое взаимное расположение благодаря одному или нескольким тросам, натянутым вдоль них. Однако такие манипуляторы зачастую ограничены в своих возможностях. К примеру, многие из них не обладают возможностью одновременно сильно изгибаться и быть устойчивыми к кручению.
Ким Чжон Рэ (Jongrae Kim) и его коллеги из Университета Лидса разработали простой и дешевый в производстве манипулятор, лишенный этого недостатка. Он имеет структуру, которую авторы сравнивают с позвоночником. Манипулятор состоит из множества одинаковых сегментов, а также двух отдельных концевых сегментов, имеющих другую структуру. Каждый центральный сегмент имеет по паре вырезов и выступов, расположенных с противоположных сторон. Поскольку каждый следующий сегмент повернут на 90 градусов, выступы одного сегмента попадают в вырезы следующего, что позволяет им двигаться относительно друг друга в двух направлениях, но не дает им крутиться относительно друг друга.
Манипулятор приводится в движение с помощью двух электромоторов в концевом сегменте. К каждому из этих моторов привязано по две лески, проходящих через все остальные сегменты. Натягивая лески моторы могут управлять изгибом манипулятора в нужную сторону. Еще одна особенность манипулятора заключается в том, что во всех сегментах есть центральное отверстие. Инженеры предлагают размещать в нем гибкие элементы, к примеру, трубку, через которую можно откачивать воздух из вакуумного захвата.
Инженеры экспериментировали с разными вариантами конструкции. Например, в одном из них на концевых сегментов есть крепления, благодаря которым манипуляторы можно выстраивать последовательно в одну длинную конструкцию. Инженеры провели эксперименты с разными модификациями и измерили их грузоподъемность. Закрепленный горизонтально манипулятор смог поднять груз массой 1,3 килограмма.
В прошлом году американские инженеры создали другой манипулятор с натягиваемыми тросами, но в нем использовался крайне необычный источник движения — расширяющиеся при нагревании зерна кукурузы. Актуатор с 36 кукурузными зернами сумел поднять груз массой 100 граммов.
Григорий Копиев
В других опытах использовался морской моллюск хитон
Японские инженеры использовали мокрицу и морского моллюска хитона в качестве захвата для роборук. В экспериментах оба беспозвоночных успешно захватывали, удерживали и вращали предметы в воздушной и водной среде соответственно. Исследователи надеются, что в будущем этих и других животных можно будет использовать для создания биогибридных устройств. Впрочем, некоторые их коллеги настроены скептично. Препринт исследования выложен на сайте arXiv. Ученые давно вдохновляются анатомией животных при создании разнообразных роботов. А в последнее время разрабатывается все больше биогибридных устройств, в которых живые организмы или части их тел совмещены с механическими деталями. Например, в прошлом году американские инженеры превратили мертвого паука-волка в пневматический захват. Авторы другого проекта использовали усики и мозг живой саранчи, чтобы создать детектор злокачественных клеток (подробнее об этом читайте в нашем материале «Запах опухоли»). Команда инженеров, которую возглавил Кэндзиро Тадакума (Kenjiro Tadakuma) из Университета Тохоку, предложила использовать живых существ в качестве концевых эффекторов (захватов) роботов. Согласно задумке исследователей, животное можно прикрепить на конец стандартной конечности робота и захватывать с его помощью различные предметы. В первую очередь на эту роль подойдут существа с экзоскелетом, для которых характерны рефлекторные движения. Чтобы оценить потенциал этой идеи в воздушной и водной средах, Тадакума и его соавторы провели серию экспериментов со сворачивающейся в шар мокрицей из семейства Armadillidiidae и морским моллюском из класса хитонов (Polyplacophora), представители которого используют нижнюю часть мантии и ногу в качестве мощной присоски для крепления к камням и скалам. По одной особи каждого вида поймали в кампусе Университета Тохоку и в Японском море соответственно. Механические детали роборук напечатали на 3D-принтере. Для присоединения мокрицы к роботизированной конечности исследователи разработали крепления с одним или двумя гибкими жгутами. Крепление первого типа позволяло ракообразному свернуться в шар, а крепление второго типа фиксировало его в развернутом состоянии. При этом хитона прикрепили к роборуке с помощью нанесенного на панцирь эпоксидного клея. Эксперименты с мокрицей проводились в воздушной среде. В ходе испытаний исследователи подносили кусочек ваты к роборуке с прикрепленным к ее концу ракообразным. После прикосновения к этому объекту мокрица рефлекторно сворачивалась и захватывала его. А примерно через 115 секунд она снова разворачивалась и отпускала ватку. В других тестах к кусочку ваты подносили мокрицу, которая не могла свернуться, поскольку была прикреплена к роборуке парой креплений. Вместо этого она перебирала конечностями, перемещая ватку. https://youtu.be/yo_mXCJRFZs Испытания хитона в качестве концевого эффектора проводились в аквариуме. Моллюска, прикрепленного к роборуке, подносили к предметам, сделанным из пробки, дерева и пластика. Во всех случаях хитон прочно прикреплялся нижней частью тела к поверхности этих объектов. Для сравнения, обычные вакуумные присоски не могут удерживать предметы из пробки и дерева. Кроме того, авторы сняли на видео, как неподвижно закрепленный хитон пытается ползти вдоль деревянного и пластикового цилиндра и в результате вращал его. https://youtu.be/fL4DzqKwUYw Ни одно из животных во время испытаний не пострадало. После окончания опытов мокрицу выпустили в дикую природу, а хитон остался жить в аквариуме. Результаты экспериментов подтверждают, что живых существ можно использовать в качестве рабочих инструментов роботов. Однако исследователи признают, что пока у них нет возможности контролировать время, в течение которого подопытные животные удерживают предметы. Если мокрицы через несколько минут сами отпускают кусочек ваты, то хитоны могут оставаться прикрепленными к предметам намного дольше. Авторы предполагают, что, поскольку эти моллюски избегают солнечного света, их можно вынудить ослабить хватку или начать перемещать объект с помощью оптических стимулов. Тадакума с соавторами предполагают, что концевыми эффекторами могут быть не только мокрицы и хитоны, но и другие организмы, начиная с бактерий и инфузорий. Например, морские звезды, осьминоги и лягушки могли бы захватывать предметы с помощью присосок, а грифовые черепахи (Macrochelys temminckii) — перекусывать их своими челюстями. Пауков и гусениц шелкопрядов авторы предлагают использовать для трехмерной печати шелком. Впрочем, некоторые коллеги скептически отнеслись к идеям авторов. По их мнению, использование живых существ в качестве эффекторов не приносит никакой дополнительной выгоды и при этом вызывает множество этических вопросов. Ранее мы рассказывали о том, как инженеры из США использовали чучела птиц для создания орнитоптеров. Один из прототипов с искусственным корпусом покрыт настоящими перьями фазана, а в передней части корпуса закреплена голова чучела кеклика. Второй беспилотник создан на базе крыльев голубя. Оба таксидермических махолета успешно выполнили тестовые полеты. В будущем подобные орнитоптеры могут использоваться для наблюдения за дикой природой или для разведывательных миссий.
