Роботизированный аналог Nautilus pompilius помог изучить движение головоногих моллюсков
Американские инженеры создали нескольких роботов, конструкция и принцип движения которых основано на строении головоногих моллюсков Nautilus pompilius. Варьируя параметры раковин и испытывая их в бассейне, исследователи выяснили, как строение моллюсков влияет на параметры их движения. Статья опубликована в Scientific Reports.
В робототехнике есть направление, в рамках которого инженеры воссоздают строение и функции конкретных живых организмов. Это может быть как подражание в общих чертах, как в случае с четвероногими роботами, так и точное воссоздание механизмов. Второй тип часто позволяет разобраться в принципах движения животных. К примеру, мы рассказывали о том, как летающий робот помог объяснить полет дрозофил, а 3D-печатная копия клешни рака-щелкуна позволила воспроизвести его механизм генерации плазмы.
Дэвид Питерман (David Peterman) и Кэтлин Риттербуш (Kathleen Ritterbush) из Университета Юты создали робота с 3D-печатным аналогом раковины головоногого моллюска Nautilus pompilius, что позволило проверить, как строение раковины этих моллюсков влияет на характеристики их движения под водой. Ранее другие исследователи предлагали представлять разные раковины аммонитов (вымерших видов головоногих моллюсков) в морфологическом пространстве в виде треугольника. Авторы новой работы создали четыре прототипа, из которых форма трех относится к вершинам этого треугольника, а четвертый располагается в его центре и представляет собой усредненный вариант, сочетающий черты остальных трех:
Чтобы получить базовую модель раковины, Питерман и Риттербуш отсканировали раковину Nautilus pompilius с помощью компьютерной томографии. Затем они модифицировали эту модель так, чтобы получились раковины по краям морфологического пространства аммонитов и еще одна по центру.
Создав четыре 3D-модели раковин, исследователи распечатали их на 3D-принтере, размер раковин составлял около 15 сантиметров в диаметре. Внутри они расположили микроконтроллер, аккумулятор, электромотор, винт и другие компоненты. Масса была подобрана так, чтобы робот сохранял в воде нейтральную плавучесть.
Протестировав роботов в бассейне, инженеры убедились в их работоспособности и выявили некоторые особенности движений, которые дает их форма. Причем выяснилось, что каждая форма имеет свои преимущества. Так, роботы с менее широкими раковинами более стабильны и двигаются эффективнее за счет меньшего сопротивления, зато роботы с более широкими раковинами более маневренны, но при этом передвигаются не так далеко при импульсном движении, поэтому вероятно, что аммонитам с такой формой приходилось чаще выталкивать воду при движении.
Мы рассказывали и о других попытках инженеров воплотить строение живых организмов в роботах. Например, в прошлом году инженеры создали искусственный аналог ног птицы с сухожилиями, способный хвататься за ветки.
Григорий Копиев
И покрутила стопой
Инженеры из Кореи разработали робоногу HyperLeg для человекоподобных роботов, которая имитирует анатомию и возможности человеческой конечности. Нога массой 8,1 килограмм имеет подвижный голеностопный сустав с двумя степенями свободы и подвижную стопу с отклоняемым мыском. Видео доступно на YouTube-канале лаборатории. В последние годы активно развивается направление разработки человекоподобных ходячих роботов. Благодаря наличию ног они в теории могут эффективно передвигаться по разнообразным типам поверхностей и преодолевать препятствия, недоступные для роботов на колесах. За прошедшее несколько лет инженеры научили роботов держать баланс и достаточно уверенно передвигаться. Например, известный человекоподобный робот Atlas, разработанный компанией Boston Dynamics, способен не только уверенно ходить, но также бегать, танцевать и даже демонстрировал некоторые элементы паркура. Тем не менее многие разрабатываемые компаниями человекоподобные роботы до сих пор уступают людям в ловкости, скорости и навыках эффективного передвижения на ногах. Не исключено, что это связано со строением робоног прототипов, которое отличается от анатомии человеческих конечностей, имеющих подвижный голеностопный сустав с несколькими степенями свободы и сгибающуюся ступню. Приблизить ноги роботов к человеческим возможностям решили инженеры из лаборатории робототехники IRIM lab Корейского института технологий и образования. Совместно с компанией WIRobotics они разработали прототип человекоподобной ноги Hyperleg, имитирующей внешний вид, анатомию и возможности нижней человеческой конечности. Робонога состоит из бедра, голени и подвижной ступни. Суммарная масса робоконечности составляет 8,1 килограмм, а высота 786 миллиметров. Все актуаторы располагаются в бедре, масса которого достигает 3,94 килограмм. Главная отличительная черта от предыдущих разработок заключается в конструкции голеностопного сустава, который имеет две степени свободы. Как и у человеческой конечности, помимо подвижного соединения, которое позволяет поднимать носок ступни к голени и отклонять его вниз, голеностопный сустав HyperLeg может вращать ступню в поперечном направлении на 30 градусов в обе стороны. Кроме этого, ступня Hyperleg имеет округлую пятку и сгибаемый мысок аналогично ступне человека. Таким образом, при движении нога может опираться как на переднюю, так и на заднюю часть стопы, аналогично тому как это происходит у человека при ходьбе. В представленном видео продемонстрированы возможные движения роботизированной конечности, а также ее испытания на прыжок в длину с дополнительным грузом 8 килограмм, закрепленным на верхней части бедра. Преодолеваемая 16-килограммовой ногой дистанция в прыжке составляет около 900 миллиметров. https://www.youtube.com/watch?v=wLFCMwRvhVI Другой человекоподобный робот, Digit, разрабатываемый компанией Aerial Robotics для работы на складах, тоже имеет примечательную конструкцию ног, отличающуюся от ног роботов Atlas и недавно представленных роботов Optimus, компании Tesla. Его колено выгнуто в противоположную от привычного направления сторону. Такая конструкция коленного сустава призвана помочь роботу в подъеме груза.
