Миниатюрный робот с напечатанными на 3D-принтере шестью ногами закатил мяч в ворота

Американские инженеры разработали миниатюрного шестиногого робота Picotaur массой 15 миллиграмм. Каждая из его шести ног представляет собой отдельный механизм с двумя степенями свободы, приводимый в движение двумя электростатическими актуаторами. Благодаря этому Picotaur может ходить разными походками, развивая максимальную скорость 7,2 длины тела в секунду, прыгать, менять направление движения, перемещать небольшие грузы и подниматься по лестницам. Статья с описанием конструкции робота опубликована в журнале Advanced Intelligent Systems.

Миниатюрные роботы, сопоставимые по размеру с насекомыми, могут пригодиться для решения ряда практических задач в узких труднодоступных местах. Однако при их разработке инженеры сталкиваются с серьезными техническими препятствиями. Помимо того, что миниатюризация приводит к снижению эффективности актуаторов, производство сложных трехмерных механизмов на миллиметровом масштабе само по себе представляет немалую проблему, поэтому большинство из существующих на сегодняшний день микророботов имеют упрощенную конструкцию.

К примеру, ноги миниатюрного робомуравья, созданного американскими и китайскими инженерами, по сути представляют собой обычные подставки без каких-либо суставов и подвижных элементов, а двигается робот за счет колебаний пьезоэлектрической пластины в теле и переменных электростатических сил, возникающих между «подошвами» подставок и поверхностью. Такая конструкция обеспечивает высокую маневренность и скорость движения по ровной поверхности, однако ограничивает способность робота преодолевать неровности.

Инженеры под руководством Сары Бергбрайтер (Sarah Bergbreiter) из Университета Карнеги — Меллона решили, что для повышения проходимости роботов массой меньше грамма по сложному рельефу, их необходимо оснащать более совершенными ногами. Чтобы продемонстрировать это, они создали миниатюрного робота массой около 15 миллиграммов и длиной около восьми миллиметров с шестью управляемыми ногами с двумя степенями свободы каждая. Для их изготовления они использовали 3D-печать методом двухфотонной полимеризации, в котором фотополимер затвердевает под действием сфокусированного лазерного луча. С помощью этого метода на гибкой печатной плате, которая играет роль корпуса робота, им удалось создать шесть отдельных механизмов ног. Каждый из них представляет собой пятизвенное устройство, приводимое в движение двумя электростатическими актуаторами. Конструкция очень напоминает ноги большого четвероногого робота Minitaur компании Ghost Robotics. Из-за этого сходства миниатюрный робот получил название Picotaur.

В каждой ноге есть два рычага, движением которых можно управлять с помощью вращающихся электростатических приводов, которые состоят из двух подвижных гребней-электродов и одного статичного, расположенного между ними. На оба подвижных электрода может независимо подаваться напряжение. Возникающие при этом электростатические силы приводят их в движение. Комбинируя вращение этих двух актуаторов можно управлять положением ноги, диной шага и высотой подъема. Конец ступни может перемещаться вперед-назад, а также вверх и вниз, таким образом каждая нога робота имеет две степени свободы.

Комбинируя движения ног, инженерам удалось реализовать несколько типов походок. Движение робота вперед и назад, например, происходит с помощью триподной походки. Ноги разделяются на две группы по три: одна группа включает переднюю и заднюю ноги с одной стороны и среднюю ногу с противоположной стороны, а в другую группу входят оставшиеся. Во время шага ноги одной группы находятся на поверхности, в то время как три другие поднимаются и синхронно переносятся вперед. Затем группы меняются местами и робот делает следующий шаг.

Управление движениями происходит с помощью синусоидальных сигналов, которые подаются на актуаторы. Изменяя фазовый сдвиг между сигналами можно менять траекторию робота. Помимо движений вперед, назад и поворотов, Picotaur может преодолевать препятствия, приподнимая ноги над поверхностью. Это позволяет ему даже подниматься по миниатюрным лестницам. Кроме этого, Picotaur может двигаться, подпрыгивая и отрывая при этом все шесть ног от земли, а также разворачиваться, стоя на одном месте.

Максимальная скорость движения робота по ровной поверхности при частоте активации актуаторов 250 герц составляет 57 миллиметров в секунду, что соответствует 7,2 длины тела в секунду. Робот может успешно преодолевать ступени высотой 50 микрометров и углом наклона лестницы в десять градусов. При этом в случае необходимости Picotaur переключается между различными типами движений в зависимости от условий местности. Например, робот использует обычную походку для быстрого движения по ровной поверхности и прыжки для преодоления препятствий.

В одном из экспериментов Picotaur также продемонстрировал способность переносить небольшой груз — вырезанный из пенопласта «мячик» массой четыре грамма, что составляет 26 процентов от его собственной массы. Робот смог нести груз сверху на корпусе, а также толкать его впереди себя по сложной траектории, переместив внутрь миниатюрных футбольных ворот. В текущей версии Picotaur получает управляющие сигналы по проводам. В будущем разработчики планируют дополнить его конструкцию сенсорами восприятия окружающей среды, которые он сможет использовать для самостоятельной навигации в пространстве, а также снабдить его собственным источником питания, чтобы робот мог действовать автономно.

В качестве альтернативы искусственным актуаторам другая группа инженеров предложила использовать генетически модифицированные мышцы животных. Они создали биогибридного двуногого робота, который приводится в движение трансгенной мышечной тканью, реагирующей на свет определенной длины волны.