Інженери надихнулися павуками та створили для свого робота шарнірні суглоби, з якими він може стрибнути на більшу за себе у десять разів висоту, легко хапати крихкі предмети та навіть покатати лего-чоловічка. Згинатися на 70 градусів лапкам допомагають пакетики з діелектриком та електроди, які змушують речовину рухатися всередині суглоб. В одному з експериментів, робот зміг взяти полуницю і не пошкодити її, про що вчені повідомили у Advanced Science.
Робот переносить різні предмети: від чашки до полуниці. Nicholas Kellaris et al.
Чому вчені звернулися до павуків?
М'яка робототехніка найчастіше звертається до прикладів з природи завдяки їхнім вродженим вмінням ефективно взаємодіяти з невизначеними і динамічними зовнішніми силами або середовищем. Кільчасті хробаки, молюски, медузи найчастіше стають моделями для створення м'яких роботів, які завдяки своїй гнучкості можуть застосовуватися там, де потрібна делікатна взаємодія з довкіллям, наприклад в медицині чи при роботі з крихкими предметами. Однак, м'яким роботам все ще складно протистояти середовищу, контролювати своє тіло та швидко рухатися. Тому їх наділяють жорсткими або еластичними суглобами.
І серед членистоногих, павуки володіють одним із найуспішніших і унікальних рішень для ефективного пересування. На відміну від більшості тварин, які використовують антагоністичні пари м'язів для створення руху, павуки розгинають ноги за допомогою гідравлічних механізмів, а для згинання використовують м'язи. Так само цей гідравлічний механізм забезпечує точний і скоординований рух, необхідний для плетіння складної павутини, а також швидкі маневри, необхідні для полювання на здобич. Це і робить павуків основним джерелом натхнення для механізмів м'якого спрацьовування. Однак, все ж тієї ж швидкості та ефективності роботам не вистачає.
Як зробити дійсно павукоподібного робота?
Розробка здатних шарнірно-зчленованих роботів, які можуть відтворювати функціональні можливості павуків, вимагає використання легкого виконавчого механізму, здатного працювати з високою швидкістю і великим зусиллям, та бути сумісним із автономною роботою. Найпопулярнішим підходом є пневматика, однак вона вимагає громіздких периферійних компонентів, як-то трубок чи клапанів, а тому страждає від компромісу між портативністю і швидкістю. А п'єзоелектричні механізми, які запускаються електричною напругою під час деформації, хоч і демонструють високу швидкість і портативність, мають обмежені силові можливості. У своїй роботі вчені вирішили звернутися до використованого павуками гідравлічного механізму і створили з'єднання з м'яким приводом. Інженери розробили свої суглоби на основі технології, яку раніше розробили для створення штучних м'язів.
Суглоби імітують схожий на павуків екзоскелетний механізм, що складається як з жорстких, так і з більш м'яких елементів, які діють аналогічно розгинанню ніг тварини. Вони використовують електростатичні сили для локального підвищення тиску гідравлічної рідини й таким чином згинають сегменти конструкціі. Для його реалізації їм знадобився гнучкий мішечок з тонких пластикових плівок (підійде поліестер або поліпропілен), який вони наповнили рідким діелектриком та додали електроди з кожного боку мішечка. Вони служать виконавчими механізмами, в яких гідравлічна енергія створюється електростатичними силами. Мішечок прикріплений до поворотного шарніра й коли між електродами створюється напруга, електростатичні сили змушують рідкий діелектрик переміщатися всередині пакету та згинати з'єднання. Шарніри здатні повертатися на 70 градусів, та при цьому не мають периферійних компонентів, які обтяжують робота.
Що він може?
Звісно метою інженерів не було створення робота-павука - головною ціллю була розробка активного суглоба, який можна буде додавати у роботів будь-якого типу. Щоб продемонструвати весь потенціал створеного вченими механізму, вони навчили його стрибати на більшу за себе у десять разів висоту, переносити важкі предмети на кшталт чашки, та хапати більш крихкі, як полуниця. Механізм працює із частотою близько десяти герців та здатний об'єднуватися у складну багатосегментну структуру. Тому його концепція стане корисною для невеликих роботизованих систем розміром всього кілька сантиметрів, де обмежений простір сильно обмежує вибір виконавчих механізмів.
Втім, павуки не єдині, ким надихаються інженери. Так будова тіла найглибоководнішої риби, що мешкає у Маріанському жолобі допомогла м'якому роботу поплавати на її дні, а хобот слона надихнув на створення м’якої тканини, що може захоплювати та підіймати предмети з різними розмірами та вагою.