Миниатюрный робот пережил удар мухобойкой
Швейцарские и французские инженеры создали робота массой 190 миллиграмм, выдерживающего удар мухобойки. А его автономная версия массой 780 миллиграмм способна двигаться без проводов вдоль линии, отслеживая повороты с помощью двух фотодиодов. Робот работает благодаря актуаторам, которые под действием электрического поля сокращаются подобно мышцам, рассказывают авторы статьи в Science Robotics.
В робототехнике есть несколько передовых направлений, которые пока далеки от практического применения, но считаются перспективными. Среди них можно выделить микророботов и мягких роботов. Роботы первого типа обычно имеют массу от сотен миллиграмм до нескольких грамм и с легкостью умещаются на ладони. Например, в прошлом году Rolls-Royce предложила концепцию осмотра и ремонта авиадвигателей с помощью микророботов, залезающих в их внутренние конструкции, а затем инженеры показали работающий прототип такого робота, лазающий вверх ногами по двигателю.
Мягкие роботы отличаются от остальных тем, что из мягких и эластичных материалов выполняются не только внешние детали корпуса, но и вообще все компоненты. Предполагается, что полностью мягких роботов можно будет безопасно использовать в медицине, а также они будут устойчивы к сильным деформациям.
Инженеры под руководством Герберта Ши (Herbert Shea) из Федеральной политехнической школы Лозанны объединили в своей последней разработке преимущества обеих концепций: их новый робот имеет массу в сотни миллиграмм, выдерживает сильные деформации, и при этом способен двигаться. Робот длиной в четыре сантиметра имеет вытянутую форму и три ноги, которые двигаются благодаря соединенным с ним диэлеткрическим эластомерным актуаторам. Принцип их работы основан на реакции слоев диэлектрика на возбуждаемое электрическое поле: оно заставляет слои сближаться, из-за чего актуатор расширяется в поперечной плоскости и толкает ногу вперед. После этого он сокращается обратно, но нога зацепляется своим концом за поверхность и не возвращается в исходное положение, а подтягивает робота вперед.
Масса пустого робота, способного только двигаться, будучи подключенным по проводам, составляет 190 миллиграмм. Однако робот может поднимать полезную нагрузку, которая в пять раз превышает массу его самого, поэтому инженеры решили использовать ее для придания устройству автономности. Они создали небольшую плату с аккумулятором, преобразователем тока, микроконтроллером, двумя фотодиодами и некоторыми другими компонентами общей массой 780 миллиграмм.
Это позволяет роботу двигаться полностью автономно, причем не только по прямой: разработчики использовали два фотодиода на плате для того, чтобы робот мог следовать за изгибом темной линии на светлом фоне, используя простой алгоритм.
Инженеры показали, что робот без дополнительной электроники способен выдерживать удар мухобойки. Правда, перед дальнейшим использованием его необходимо отлепить от поверхности. При нормальной работе без вмешательств робот, получающий энергию по проводам, способен двигаться со скоростью 30 миллиметров в секунду, а в полностью нагруженном электроникой состоянии его скорость снижается до 12 миллиметров в секунду или примерно 0,3 длины его тела.
Недавно американские инженеры показали другого микроробота на основе диэлектрических эластомерных актуаторов. Они создали летающего робота массой 660 миллиграмм, который способен совершать управляемый полет, получая энергию и команды по проводам.
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.