Робота с изогнутыми cкладками на гибких боках научили ползти на свет
Для движения ему достаточно одного актуатора
Инженеры разработали миниатюрного робота CurveQuad массой чуть больше 10 грамм. Его гибкий корпус деформируется за счет изогнутых складок и позволяет роботу продвигаться вперед, а также поворачивать, используя для этого только один актуатор. Разработчики продемонстрировали способность CurveQuad автоматически двигаться в направлении источника света, определяя его положение с помощью встроенных фотоэлементов. Текст доклада с описанием робота опубликован в рамках конференции IROS 2023.
При поддержке Angie — первого российского веб-сервера
Интерес инженеров к разработке миниатюрных роботов связан возможностью выполнять задачи в условиях ограниченного пространства. Например, миниатюрных роботов предлагают использовать для внутренней диагностики механизмов без их разборки, для разведки, и для обследования разрушенных в результате стихийных бедствий зданий в поисках выживших людей.
Однако разработка роботов сантиметрового масштаба — непростая задача и ее решение требует множества конструктивных компромиссов. Более сложная походка, например, может добавить роботу проворности, однако одновременно с этим приведет к росту числа степеней свободы конечностей, а значит к увеличению количества используемых актуаторов. Это, в свою очередь, оборачивается усложнением конструкции, увеличением размеров, массы и энергопотребления. Одним из решений этой проблемы могло бы стать применение в конструкции элементов оригами или киригами. Складки упругого материала, выполненные с дополнительным изгибом, позволяют накапливать дополнительную механическую энергию, чем можно воспользоваться, чтобы сократить число актуаторов, необходимых для приведения робота в движение.
Такой подход выбрали инженеры под руководством Синтии Сун (Cynthia Sung) из Университета Пенсильвании. Они создали миниатюрного робота под названием CurveQuad, который благодаря изогнутым складкам в конструкции оказался способен передвигаться с помощью всего лишь одного актуатора. Масса робота составляет 10,9 грамм, а ключевая деталь его корпуса представляет собой тонкую прямоугольную пластину из PET-пластика (полиэтилентерефталат) размером 80 × 55 миллиметров. В ней с помощью лазера выполнены прорези в виде последовательно расположенных полукругов, образующих паттерн в форме двух параллельных дуг с каждой стороны пластины, симметрично расположенных относительно центра. Материал в этих областях может легко изгибаться благодаря прорезям, создавая выпуклую и вогнутую складки.
В центральной полосе обеих дуг на небольшом расстоянии друг от отдруга закрепляются концы двух «сухожилий» — тяг, которые соединяются противоположной стороной с концами рычага, закрепленного на сервомоторе, ось которого находится в центре пластины. Сервопривод может поворачивать рычаг в диапазоне 270 градусов, при этом «сухожилия», соединяющие концы рычага с корпусом, стягивают его вовнутрь, приводя к изгибам. В зависимости от угла поворота рычага корпус может из плоской пластины принять симметричную куполообразную форму. В этом положении концы пластины начинают играть роль четырех конечностей робота.
В промежуточных положениях рычага сервопривода корпус несимметрично деформируется по диагонали. При этом передняя «конечность» приподнимается над поверхностью, а задние смещаются друг относительно друга. Из-за возникающей между ними разности в силах трения в этот момент корпус робота смещается вперед. Если затем такую же деформацию выполнить в противоположную сторону, то робот сделает второй шаг с помощью второй «ноги». Регулируя с помощью угла поворота рычага величину деформации, а следовательно и длину шага слева и справа можно управлять направлением движения робота CurveQuad.
Для демонстрации возможности управления роботом с помощью обратной связи, инженеры установили на углах корпуса четыре фотоэлемента. Алгоритм сравнивает сигналы, полученные от сенсоров с левой и правой сторон, и в зависимости от того, с какой стороны сигнал больше, выбирает походку, которая поворачивает робота в этом направлении. В результате в каком бы положении робот ни находился изначально, он разворачивается на источник света и начинает двигаться в его направлении.
В своей следующей работе инженеры планируют сосредоточиться на взаимодействии между несколькими роботами CurveQuad. Для этого они планируют добавить им возможность общаться друг с другом, чтобы роботы могли выполнять задачи сообща, например, вместе обследовать окружающую территорию.
А вот другому микророботу, созданному группой американских и китайских инженеров, для передвижения не нужны сервомоторы. Вперед он движется под действием колебаний встроенной в его корпус пьезоэлектрической пленки, а повороты совершает за счет изменения силы трения между поверхностью и электростатическими площадками на концах передних ног.
Он работает на энергии солнца и радиоволн
Американские инженеры разработали миниатюрного четырехколесного робота MilliMobile с массой около грамма, который не имеет собственного источника питания на борту. Для работы электромоторов и бортовой электроники робот использует энергию света или радиоволн. MilliMobile может развивать скорость до 5 миллиметров в секунду по поверхностям с различным покрытием, включая, например, бетон или ковер. При этом он способен перевозить полезный груз, масса которого в три раза превышает собственный вес робота. Доклад с описанием робота авторы представят на конференции ACM MobiCom 2023 в Мадриде. При поддержке высокопроизводительного и масштабируемого российского веб-сервера Angie Одно из передовых направлений в робототехнике, которое считается перспективным, но пока далеко от практического применения, связано с разработкой миниатюрных роботов. Помимо подбора эффективных актуаторов, инженеры, работающие в этой области, сталкиваются с другим, возможно даже более важным вопросом, который связан с выбором подходящего источника энергии. От него зависят многие параметры будущего робота, такие, например, как продолжительность работы, грузоподъемность, расстояние, которое он может преодолеть и другие. Уменьшение размеров батареи приводит к снижению емкости, что вместе с невысокой плотностью энергии не позволяет полноценно использовать их для поддержания длительной автономной работы робота. Однако, как продемонстрировали инженеры под руководством Викрама Айера (Vikram Iyer) из Вашингтонского университета, миниатюрный робот может и вовсе обойтись без источника энергии на борту. Разработанный ими четырехколесный робот массой 1,1 грамма под названием MilliMobile для работы всех систем использует энергию света или радиоволн. Шасси робота изготовлено из углеродного волокна и полиимида. Четыре колеса — из тонкого стеклотекстолита. Одно из двух колес с каждой стороны имеет привод от собственного электромотора. Для движения вперед питание подается на оба мотора одновременно, а для поворотов в стороны — только на один из них. Это повышает маневренность робота и позволяет ему разворачиваться на месте в ограниченном пространстве. Вся электронная начинка расположена на гибкой плате и управляется с помощью микросхемы nRF52 с низким энергопотреблением. Питание робот получает от небольшой солнечной панели, установленной сверху на корпусе, или от антенны через радиоволны на частоте 2,4 гигагерц. Собираемая энергия используется для зарядки конденсаторов емкостью до 150 микрофарад, от которых затем питаются электромоторы, микроконтроллер и сенсоры. Так как энергия расходуется быстрее, чем поступает, то движение робота носит прерывистый характер. При этом для движения роботу достаточно лишь 50 микроватт. При наилучших условиях освещенности MilliMobile может развивать скорость до 5,5 миллиметров в секунду. Благодаря четырем фотосенсорам, установленным на корпусе, робот может самостоятельно искать источники света. Грузоподъемность MilliMobile достигает трех грамм, что превышает собственную массу робота в три раза. При этом груз в один грамм снижает скорость робота примерно на 25 процентов. В качестве полезной нагрузки робот может нести на себе различные сенсоры, например, для сбора данных о температуре, влажности, величине магнитного поля, давлении атмосферы и уровне углекислого газа. Кроме того, робот способен переносить небольшую камеру (правда, для ее работы требуется много энергии). Несколько роботов могут устанавливать устойчивое беспроводное соединение друг с другом или с базовой станцией на расстоянии до 200 метров. Таким образом рой MilliMobile может выступать в роли сети подвижных сенсоров, автономно собирающих информацию в течении длительного времени. Среди потенциальных вариантов применения авторы называют мониторинг состояния почв для нужд сельского хозяйства, наблюдение за утечками газа или обнаружение источников радиосигнала. https://www.youtube.com/watch?v=WADixOh6Xs8 В качестве альтернативы искусственным актуаторам для миниатюрных роботов, другая группа инженеров предложила использовать генетически модифицированную мышечную ткань. Созданными ими биоробот с трансгенными мышцами, реагирующими на свет определенной длины волны, смог разогнаться до 0,83 миллиметров в секунду.
