Мягкие роботы получили электрофлюидные логические схемы
Британские инженеры разработали метод создания логических схем для роботов, состоящих в основном из мягких компонентов. Они предложили объединять гибкие провода и электроды с мягкими трубками, частично заполненными проводящей жидкостью. Проходя через область с электродами, жидкость замыкает цепь. Используя этот принцип инженеры создали несколько базовых логических схем, а также простых роботов на их основе. Статья опубликована в журнале Science Robotics.
В робототехнике существует отдельная достаточно большая область, связанная с разработкой мягких роботов. В основном такие роботы необходимы для медицины, где жесткие детали могут нанести травму пациенту. Кроме того, мягкие роботы могут восстанавливаться после сильных деформаций, к примеру, сдавливания. Для внешнего корпуса мягких роботов уже давно разработано много материалов и покрытий, и основная нерешенная проблема этой области связана с другим — ключевые компоненты, такие как вычислительные платы и моторы, как правило, сложно сделать гибкими.
Инженеры уже добились промежуточных успехов в мягкой робототехнике: в 2016 году был создан полностью мягкий робот с микрофлюидной логической схемой, однако такой способ управления имеет свои ограничения. Группа инженеров под руководством Джонатана Росситера (Jonathan Rossiter) из Бристольского университета разработала конструкцию, позволяющую объединять в мягких роботах трубки для жидкости и электронные компоненты.
Концепция, придуманная инженерами, достаточно проста, а сами авторы сравнивают ее с кровообращением в живых организмах — в ответ на стимулы организм может ввести в кровеносную систему гормон. Циркулируя по крови, молекулы гормона попадают на специфичные к ним рецепторы, что вызывает определенный ответ. В случае с новой схемой в роли кровеносной системы выступает трубка, по которой циркулирует проводящая жидкость и непроводящий воздух, а аналогом рецептора является фрагмент трубки с двумя электродами с разных сторон. Попадая в этот фрагмент, жидкость (в данном случае соленая вода с красителем) замыкает цепь и приводит к какому-либо действию электронных компонентов, к примеру, зажиганию светодиода.
На основе этого принципа инженеры создали несколько прототипов. Один из них представляет собой мягкого робота, передвигающегося благодаря сокращению и распрямлению сегментов из сплава с памятью формы, которые периодически нагреваются и остывают из-за замыкания и размыкания цепи. Цепь в этом роботе замыкается и размыкается благодаря насосу, заставляющему воду и воздух циркулировать по трубке.
Еще один прототип содержит в себе электрофлюидный диод. Пользователь может нажать на кнопку и тем самым заставить жидкость в трубке замкнуть цепь. Эта цепь связана с диодом и заставляет нагревательный элемент в нем нагревать низкокипящую жидкость. Превращаясь в газ, она двигает жидкость в еще одной трубке, что в итоге заставляет двигаться стрелку, связанную с элементом из сплава с памятью формы. Кроме того, инженеры показали, что таким способом можно реализовать базовые логические вентили: НЕ, И, ИЛИ, НЕ И, НЕ ИЛИ.
В роботе, созданном инженерами, используется перистальтический насос на основе жесткого электромотора, но и это ограничение можно обойти — недавно другая группа инженеров создала насос, состоящий только из гибких компонентов. Он состоит из массива электродов, ионизирующих жидкость в трубке и создающих электрическое поле. Оно заставляет ионы двигаться и тем самым разгонять весь остальной поток.
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.