Миниатюрный робот умеет быстро двигаться, прыгать и плавать. Для этого ему не требуется искусственный интеллект и вообще компьютер. Устройство состоит из полимерных трубок, в которые накачивается воздух. За координацию движений отвечает продуманная геометрия и законы физики. Удивительное устройство, описанное в журнале Science — одно из множества, объединенных понятием «мягкие роботы».
Воздушная легкость
Механизм длиной 94 мм и массой 77 г опирается на «ноги», сделанные из гибких пластиковых трубок. Исходная форма трубки напоминает букву V: она имеет изгиб посередине, а ее концы расположены почти вертикально. Но она может принимать и форму, похожую на букву П, только перевернутую перекладиной вниз и с растопыренными в стороны «ножками». В этом случае в конечности уже два изгиба, и робот опирается на горизонтальную перекладину. Когда в трубку накачивается воздух, «нога» быстро переходит от одной формы к другой и обратно. В итоге получается нечто вроде шагательного движения. Чтобы конечности двигались синхронно, они соединены трубкой, выравнивающей давление воздуха. По гладкой поверхности робот двигается со скоростью 18 см, или почти две собственные длины, в секунду. Для столь простого устройства такая быстроходность удивительна. Четырехметровый автомобиль на скорости 60 км/ч проходит за секунду четыре собственные длины. Еще интереснее, что робот успешно передвигается по высохшей траве, а попав в воду, начинает плыть. Все это достигается без компьютеров и алгоритмов, за счет законов механики.
Техническое решение авторы подсмотрели у природы. Они приводят в пример движение морских звезд. В случае опасности эти животные довольно быстро убегают по дну с помощью мелких ножек, расположенных на нижней стороне лучей. Синхронность движения сотен ножек достигается без центрального управления, за счет механического взаимодействия с опорой.
Мягкая сила
Традиционные жесткие роботы изготавливаются из материалов, которые почти не деформируются, а если все же деформируются, это только мешает их работе. Напротив, корпус мягкого робота способен растягиваться, изгибаться или скручиваться не меньше, чем мышцы, кожа и сухожилия. Как и для живых существ, деформация конечностей или тела — не помеха, а необходимое условие движения.
Гибкость позволяет машинам заползать в щели и отверстия, двигаться по изогнутым каналам. Мягкость робота оберегает от повреждений поверхности, с которыми он соприкасается. Есть прототипы устройств, ползающих по трубам в поисках протечек. В прошлом году китайские исследователи презентовали робота, который должен перемещаться по кишечнику человека и брать образцы слизи. Цель — диагностика колоректального рака. Ученые позаимствовали принцип движения у дождевого червя. Правда, робота пока не испытывали в настоящем кишечнике, зато он успешно ползал в изогнутых силиконовых трубках. Отдельная область, где необходимы мягкие механизмы — протезирование конечностей. Конечно, протез трудно назвать роботом, но с точки зрения механики он решает похожие задачи.
Подражая природе
Авторы обзора, вышедшего в 2024 году в журнале Machines, попытались ответить на вопрос: как инженеры проектируют мягких роботов? Довольно часто разработчики черпают вдохновение в живой природе. Чаще всего животными-прототипами служили черви — 35% проанализированных случаев подражания живому. Человек разумный разделил второе место (20%) с медузами, крабами и морскими звездами — в сумме те же 20%. Третье место заняли змеи и осьминоги — по 9%. На весь остальной живой мир пришлось всего 7% публикаций. Такое своеобразное распределение отражает скорее стереотипы разработчиков, чем потенциал биологических видов. Инженерам есть чему поучиться, к примеру, у насекомых, умудряющихся при своем микроскопическом весе летать в ветреные дни. Еще один интересный объект для изучения — дельфины. Эти млекопитающие чутко управляют обтекающими их струями. Легкие движения животного не дают потоку превратиться из ламинарного, то есть спокойного, с малым сопротивлением движению, в турбулентный — бурлящий, с огромным сопротивлением. Там, где корабли напрямик проламываются сквозь вспененную воду, дельфины непринужденно скользят, тратя минимум сил. Зоологи и биомеханики могли бы подсказать инженерам еще много интересных решений.
Разумеется, подражание живому — не единственный подход к проектированию мягких роботов. Исследователи используют математические методы, нейронные сети и другие инструменты.
Что ими движет
Мягкие роботы могут перемещаться самым разным способом: шагать, ползать, плавать, перекатываться и т.д. Какая сила приводит их в движение? Чаще всего это давление воздуха, жидкости или натяжение тросов, имитирующих сухожилия. Но встречаются и экзотические варианты. Некоторые системы приводятся в движение магнитным полем, другие — электрическим, третьи реагируют на изменение температуры или влажности, четвертые — на химические сигналы.
Отдельная головная боль для разработчиков — управление мягкими роботами. Традиционный аккумулятор, процессор, датчики и контроллеры — это жесткие и хрупкие детали, их применение может свести на нет все преимущества мягкого устройства. Поэтому инженеры делают все, чтобы механизм сам находил «выход из положения», не требуя центрального управления. Пневматический робот, о котором мы рассказывали выше, самостоятельно адаптируется к новым поверхностям и даже может плавать. В 2023 году другая группа исследователей представила мягкого робота, способного выбраться из лабиринта без подсказок компьютера. Такая «находчивость» механизма объясняется его сложной продуманной геометрией и специальными материалами, из которых он сделан.
Еще один, довольно экзотический, подход к проблеме — попытки сделать вычислительное устройство из тех же материалов, что и самого робота. Например, специалисты из Гарварда в 2019 году разработали резиновый «компьютер», вычисления в котором выполняются потоками воздуха. Однако механические вычислители сильно проигрывают электронным по быстродействию и компактности. Трудно представить пневматический процессор, способный координировать сложные и точные движения. Более перспективный путь — создание гибкой электроники. Она пригодится при разработке не только мягких роботов, но и имплантатов и носимых устройств.
В целом мягкие роботы пока находятся на стадии лабораторных прототипов, а не коммерческих продуктов. Вероятно, большинство разработок так и останется в стенах лабораторий. Сделать полезного робота без единой жесткой детали слишком трудно, по крайней мере, пока не решена проблема гибкой электроники. Однако эти наработки могут сослужить хорошую службу и традиционным роботам, для которых сложные и разнообразные движения — тоже непростая задача. Кроме того, вероятно появление роботов с гибким корпусом и конечностями, но жестким аккумулятором и компьютером на борту. В конце концов, у весьма гибкого человека тоже есть совершенно не гибкий череп. Он не мешает нам подниматься по лестницам, цепляться за перекладины и даже ползать в трубах подходящего диаметра.
Создание мягких устройств — лишь один из путей к важной задаче: сделать роботов такими же ловкими и подвижными, как живые существа. Рано или поздно эта цель будет достигнута, и тогда изменятся все сферы нашей жизни, от быта до рынка труда.