Мертвого паука превратили в некробота и заставили схватить предмет

Американские инженеры изготовили из мертвого паука-волка пневматический захват. Для этого они ввели иглу в его просому и присоединили к ней шприц. Повышая и снижая давление внутри членистоногого, они заставляли его конечности сжиматься и разжиматься. Это позволило поднять предметы, которые в 1,3 раза по массе и в 2,6 раза по объему превышали сам захват. Использование частей мертвых животных в роботах авторы статьи, опубликованной в журнале Advanced Science, назвали некробототехникой.

Наблюдая за живыми организмами, ученые и инженеры нередко вдохновляются на разработку новых материалов и технологий. Так, еще Аристотель в IV веке до нашей эры наблюдал за способностью гекконов (Gekkonidae) бегать по деревьям вверх и вниз любым способом, включая вниз головой. Спустя больше двух тысячелетий ученые экспериментально доказали, что это происходит благодаря множеству микроскопических волосков на лапках этих животных, которые сцепляются с опорной поверхностью с помощью ван-дер-ваальсовых сил. Это помогает гекконам перемещаться по потолку, стеклам и другим поверхностям. Другой недавний пример – это разработка пористого гидрогеля, позволяющего перемещать мягкие ткани без повреждения. На это ученых из США, Южной Кореи и Японии подтолкнули наблюдения за работой присосок осьминогов (Octopoda). Нередко объектом внимания для ученых и инженеров выступают и паукообразные (Arachnida). Обычно их интерес занимает паучий шелк, поскольку волокна паутины отличаются исключительными механофизическими свойствами. Однако и другие особенности этих членистоногих могут привлекать исследователей.

Дэниел Престон (Daniel Preston) совместно с коллегами из Университета Райса предложил использовать биологические материалы в качестве компонентов роботов. Исследователи обратили внимание на пауков, которые управляют движением своих ног с помощью гидравлической системы. Так, чтобы разогнуть ноги, эти членистоногие поднимают давление гемолимфы, напрягая мышцы тела. По этой причине ноги у мертвого паука загнуты внутрь.

В новой работе исследователи переделали неповрежденные тела мертвых пауков в захват с пневматическим приводом, чему предшествовал простой этап подготовки. Они взяли пауков-волков (Lycosidae), после чего усыпили их, держа при температуре примерно минус четыре градуса Цельсия в течение пяти—семи дней. Затем в просому ввели иглу и герметично закрепили ее на теле с помощью клея (вся эта процедура, по сообщениям авторов, может занимать не больше десяти минут). После того, как клей засохнет, инженерам оставалось лишь присоединить к игле инъекционный шприц или любой другой подходящий источник давления.

Внешний источник давления в этой конструкции заменяет естественное давление гемолимфы внутри паука, приводя в движение его ноги. То есть при повышении давления лапки паука разжимаются, а при его падении — сжимаются, работая как захват. Готовый к использованию захват оказался способен поднимать предметы, масса которых превышала его собственный в 1,3 раза. При этом максимальная сила хвата в полностью сжатом состоянии достигала 0,35 миллиньютона, а минимальная (инженеры научились ее регулировать) — 0,02 миллиньютона.

Исследователи также изучили долговечность изготовленной конструкции. Для этого они протестировали ее в течение 1000 повторений. Ноги паука разжимались под давлением 5,5 килопаскаля, а сжимались, опуская давление до нуля. Затем они изучили тело животного с помощью растрового электронного микроскопа. Оказалось, что в сочленовых мембранах пателлофеморальных суставов наблюдались трещины. Это может быть связано с обезвоживанием, в результате чего мембрана становилась более хрупкой и подверженной механическим повреждениям. В то же время вертлуги сохранились значительно лучше, исходя из чего, исследователи сделали вывод, что они способны выдерживать большее давление при больших деформациях, нежели пателлофеморальные суставы. Ученые также провели рентгеновскую фотоэлектронную спектроскопию, которая показала, что через час и через семь дней после смерти паука серьезных изменений в химической структуре его ног, способных повлиять на эффективность захвата, не произошло.

По словам авторов работы, опыты показали эффективность использования изготовленного пневматического захвата. Так, он подходил для подъема гладких предметов неправильной формы, например, яиц. Кроме того, инженеры подняли пенополиуретановый предмет, объем которого в 2,6 раза превышал сам захват. Они предположили, что микроскопические волоски на паучьих лапках повышают силу захвата. Это может быть выгодно при необходимости захватить предмет с гладкой поверхностью. По мнению исследователей, ручное управление таким захватом позволит использовать его на открытом воздухе для сбора мелких и хрупких образцов, а также для захвата в природе мелких биологических существ, например, мух, используя естественную маскировку.

Недавно на N + 1 рассказывали о других роботах. Так, американские инженеры создали миниатюрного робота-амфибию, который прогулялся по желудку свиньи. Кроме того, они сделали роботизированный аналог Nautilus pompilius, который помог изучить движение головоногих моллюсков.

Михаил Подрезов

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.
Киригами-манипулятор поднимет груз в 16000 раз тяжелее себя

При этом он может взаимодействовать с хрупкими объектами, не повреждая их

Американские инженеры создали простой и недорогой киригами-манипулятор. Он представляет собой лист материала со множеством прорезей, образующих определенный рисунок, благодаря которому при растяжении лист выгибается, образуя купол со смыкающимися лепестками. С помощью манипулятора можно точно взаимодействовать с ультратонкими и хрупкими объектами, не повреждая их, а также поднимать грузы в 16000 раз тяжелее собственной массы захвата. Статья с описанием конструкции опубликована в журнале Nature Communications. При поддержке Angie — первого российского веб-сервера Все попытки инженеров разработать универсальный мягкий манипулятор для роботов, который смог бы совместить в себе одновременно высокую точность и способность поднимать тяжелые предметы, обычно упираются в компромисс между гибкостью, прочностью и точностью захвата объектов. К примеру, мягкий манипулятор ROSE, напоминающий своей формой цветок, имеет довольно высокое значение отношения грузоподъемности к собственной массе и способен захватывать хрупкие предметы, не нанося им вреда, например, куриное яйцо. Однако из-за особенной формы и способа срабатывания он не может захватывать слишком мелкие объекты, такие как нити и тонкие листы. Инженеры под руководством Цзе Иня (Jie Yin) из Университета Северной Каролины предложили конструкцию манипулятора, которая способна решить эту проблему. В ее основе лежит японская техника складывания и вырезания бумаги киригами. Манипулятор изготавливается из тонкого листа полиэтилентерефталата (PET) толщиной 127 микрометров, в котором с помощью лазера делается множество узких прорезей по определенному паттерну. Благодаря этим прорезям при растяжении в перпендикулярном направлении лист выгибается, принимая форму, напоминающую шаровидную клетку, состоящую из двух половин в виде смыкающихся лепестков. Для срабатывания захвата достаточно лишь растянуть его в одном направлении, поэтому манипулятор можно использовать как дополнение к уже существующим моделям роборук и протезам без серьезных переделок. Давление, с которым половинки захвата воздействуют на объект, составляет всего около 0,05 килопаскаля. Это позволяет безопасно поднимать очень мягкие и хрупкие объекты с близкой к нулю жесткостью. Авторы экспериментировали с каплями воды, кетчупом, сырым яичным желтком, икрой, пудингом, а также с мягкими живыми организмами, такими как медузы. Сетчатая структура манипулятора подходит и для манипуляций с острыми объектами, например, медицинскими иглами. Они проходят сквозь прорези в материале, никак не влияя на целостность и функциональность манипулятора. Манипулятор может очень точно взаимодействовать с тонкими гибкими предметами, к примеру, с нитями толщиной 2 микрометра, что меньше толщины человеческого волоса в 40 раз, и с тонкими листами до 4 микрометров. Для демонстрации точного взаимодействия с объектами в бытовых условиях, инженеры прикрепили манипулятор к концам эффекторов протеза. Оказалось, что с помощью такого дополнения можно легко выполнять действия, иначе конструктивно недоступные для протеза. Брать очень мелкие предметы с поверхности, например, ягоды винограда, не повреждая их, и переворачивать страницы книги. Одновременно с высокими характеристиками точности и способностью взаимодействовать с очень хрупкими объектами, манипулятор обладает рекордным значением отношения массы полезной нагрузки к собственной массе. Масса захвата составляет всего 0,4 грамма, однако оказалось, что он способен поднимать объекты в 16000 раз тяжелее себя. Это, по словам авторов, в 2,5 раза превосходит предыдущий рекорд, который составлял 6400. https://www.youtube.com/watch?v=xfI5V6SuO60&t=1s Материал для захвата можно использовать биоразлагаемый. В этом случае его можно применять для задач, ограниченных по времени и числу применений, к примеру, для биомедицинских целей в качестве одноразового устройства. Техника оригами также часто используется в робототехнике. Например, японский инженер использовал ее для создания механического одноразового захвата, полностью состоящего из обычной офисной бумаги.