Южнокорейские инженеры научили безвоздушные шины «сдуваться»

Инженеры из Южной Кореи разработали безвоздушное колесо переменной жесткости, которое может адаптироваться к различным типам поверхностей. Колесо переключается между двумя состояниями: жестким для быстрого движения по ровной поверхности, и деформируемым для преодоления препятствий. Жесткость регулируется с помощью кевларовых нитей, которые соединяют ступицу со звеньями цепи, расположенной по окружности колеса и выполняющей роль обода. При увеличении натяжения нитей колесо принимает фиксированную круглую форму, а при снижении натяжения легко деформируется, помогая транспортному средству преодолевать препятствия. Результаты опубликованы в журнале Science Robotics.

Благодаря своей простоте и энергоэффективности колеса широко применяются в транспорте и робототехнике. Однако у колесного привода есть существенный недостаток: он хорошо проявляет себя на ровной твердой поверхности, позволяя развивать высокую скорость, но плохо справляется со сложным рельефом, особенно с препятствиями большого размера. Чтобы компенсировать этот недостаток, инженеры разрабатывают новые типы подвесок, пытаются совместить колесо с гусеничным приводом, а также создают гибриды механизмов передвижения, устанавливая, например, колеса на ноги роботов.

Еще один вариант решения этой проблемы предложили южнокорейские инженеры под руководством Сон Сон Хёка (Sung-Hyuk Song) из Корейского института машиностроения и материалов. Они разработали безвоздушное колесо с регулируемой жесткостью, конструкция которого вдохновлена поверхностным натяжением в жидкостях. Дело в том, что молекулы на поверхности водяной капли испытывают силы притяжения со стороны молекул, находящихся внутри. Возникающие при этом силы стремятся минимизировать площадь поверхности жидкости, и она старается принять форму сферы — наиболее энергетически выгодной конфигурации.

В колесе, созданном южнокорейскими инженерами, роль молекул жидкости на поверхности играет гибкий обод, который состоит из множества сегментов, соединенных друг с другом в цепь. Каждое звено имеет выступ на одной стороне, а также эллиптическое отверстие, в который вставляется соединительный штифт. Такая конструкция позволяет изменять расстояние между звеньями в зависимости от направления их поворота относительно друг друга. Пространство между ободом и ступицей колеса заполнено мягким материалом, например, поролоном или сотовой структурой из полиуретана. Задача этой структуры — поддерживать начальную форму колеса, но при этом легко деформироваться при наезде на препятствия. Центральный элемент — ступица — состоит из передней и задней частей, зазор между которыми можно регулировать.

От ступицы ко всем звеньям цепи на ободе протянуты спицы из кевларовых нитей. Один из концов каждой спицы прикреплен к одному из звеньев обода с одной стороны, а другой проходит через обе части ступицы и фиксируется на противоположной стороне того же звена. Таким образом, изменение зазора между двумя частями ступицы позволяет увеличивать или уменьшать натяжение всех спиц одновременно. Сильное натяжение приводит к тому, что звенья обода плотнее прижимаются друг к другу. В этом случае колесо становится жестким и может двигаться на высокой скорости по ровной поверхности. А при слабом натяжения силы между звеньями ослабевают, и колесо становится более податливым и легко деформируется даже под весом транспортного средства, а также при наезде на препятствия, что позволяет колесу легче преодолевать неровности. Во многом это напоминает работу пневматических шин, в которых снижение давления приводит к деформации и увеличению площади контакта колеса с поверхностью.

Чтобы продемонстрировать работоспособность колеса, разработчики провели серию экспериментов с двумя типами транспортных средств. Первое — четырехколесный ровер, каждое из колес которого имеет индивидуальную регулировку жесткости. В качестве поддерживающей структуры использовалась губка, поскольку масса устройства была небольшой. Ровер успешно преодолевал большие камни неправильной формы, а также ступеньки высотой 180 миллиметров, что в 1,2 раза превышает радиус его колес.

Вторым транспортным средством стала двухколесная самобалансирующаяся инвалидная коляска массой около 120 килограмм. Из-за большой массы в качестве поддерживающей структуры использовалась сотовая конструкция из полиуретана, обладающая большей жесткостью. Коляска с колесами переменной жесткости успешно преодолевала бордюры, ступеньки и другие неровности, а также могла двигаться с большой скоростью по ровной поверхности.

В будущем разработчики планируют добавить колесам защиту в виде надеваемых поверх гибких кожухов. Они помогут предотвратить попадание грязи и песка в элементы конструкции колеса, снизив его износ и повысив надежность.

Инженеры из Осакского университета использовали натяжение тросов, играющих роль спиц в колесе робота, для того, чтобы заставить его двигаться. Встроенный двигатель периодически попарно стягивает тросы, изменяя тем самым форму колеса.