Надрукована на 3D-принтері роботизована рука, яка керується за допомогою водяного тиску, пройшла перший рівень відеогри Super Mario Bros. за 90 секунд. Команда інженерів із Мерілендського університету створили жорсткий каркас для трьох пальців руки, які керуються потоками води, та керувала кожним окремо, щоб м'який робот міг зіграти у гру з допомогою контролера. Розробка потрапила на обкладинку випуску журналу Science Advances.
University of Maryland
Навіщо вченим м'який робот-геймер?
В останнє десятиріччя м'які роботи впевнено зайняли своє місце серед інших та завоювали популярність серед інженерів завдяки своїй гнучкості поруч із міцністю. Їх легше створювати, не так шкода відпускати в екстремальні середовища (на кшталт Маріанської западини) та можна приводити у дію навіть без електронних компонентів. Серед різних підходів до того, щоб змусити робота рухатися, як-то пневматичні або за допомогою розумних матеріалів, інженери часто використовують гідравліку. Вона забезпечує ряд невіддільних переваг м'яких роботів — безпечність взаємодії з ними, менші витрати на електрику, гнучкість геометрії для маніпулювання складними чи крихкими предметами, або для роботи у складних умовах. Однак, все ж цей підхід має обмеження: зі збільшенням числа незалежно керованих м'яких виконавчих механізмів (або ступенів свободи) необхідна більша кількість механізмів.
На відміну від стратегій, коли гідравлічні схеми вручну підключаються до роботів, зростає інтерес до можливості вбудовувати такі функції безпосередньо в системи. Наприклад, вбудовані рідинні схеми на основі м'якої літографії. Вони працюють як клапани і можуть допомогти роботу автономно похитувати плавниками, крокувати і навіть щось хапати. Але незважаючи на їхні можливості, ці багатокомпонентні клапани і системи збираються вручну, що виключає можливість створення економічно вигідного прототипу. Тож альтернативні підходи до виробництва м'яких роботів на основі гідравлічних схем залишаються затребуваними серед робототехніків. І тому у своїй роботі вчені розробляли спосіб створити робота з таким механізмом за допомогою 3D-друку. Створений робот зіграв у Super Mario Bros. і підтвердив успіх підходу дослідників, які отримали потенційно новий клас м'яких роботів. Хоча цей варіант використання послужив прикладом, підхід для управління пальцями м'якої руки робота можна розширити до найрізноманітніших задач: від ходіння до плавання.
Як надрукувати робота?
У своїй роботі дослідники звернулися до технології 3D-друку PolyJet. Вона заснована на пошаровому нанесенні рідкого фотополімерного матеріалу, який твердіє під впливом ультрафіолетового випромінювання. Різноманітність матеріалів і геометрична універсальність методу забезпечують дві ключові переваги при виробництві. Це можливість додавати матеріали різної жорсткості для кращої рухомості, і можливість не створювати форми для друку попередньо, адже він пошаровий. Архітектура робота складається зі структурного корпуса із жорсткого матеріалу з внутрішніми каналами для рідини, ущільнювальний диск, якій піддається руху рідини, та водорозчинний матеріал, який дає змогу одразу сформувати робота. Рухається робот двома кінцівками, які керуються двома основними станами — напрямком потоку води вперед і назад. Кінцівки використовують відмінності в жорсткості матеріалів і тому можуть імітувати поведінку людського пальця. Вони мають жорсткі «фаланги», що не згинаються, та надувні «суглобові» компоненти, надруковані з використанням м'якого матеріалу. Через асиметричну конструкцію суглобів, більше розширення верхньої частини рухає кінчики кінцівок і додає сили взаємодії.
University of Maryland
Як він пройшов гру?
Для свого експерименту вчені прикріпили пальці робота до кнопок контролера за допомогою гарячого клею і запустили алгоритм штучного інтелекту для гри. Пальці керувалися рідиною, яка рухалася зі швидкістю до десяти мілілітрів на хвилину, утворюючи змінний із частотою 0,1 герца тиск від нуля до 80 кілопаскаль. До речі, свій експеримент із грою вчені пропонують використовувати й іншим інженерам як метод оцінки ефективності розробок. Адже на відміну від традиційних стандартів оцінки можливостей м'яких роботів, в яких відсутні суворі показники продуктивності або «штрафи» за помилки, гра у Super Mario Bros. обмежена часом і рівнями, де одна пропущена чи помилкова дія робота стане помітною.
Оптимізацією процесу створення м'яких роботів інженери займаються багато. Наприклад, сингапурські дослідники створили модель скатоподібного робота також повністю за допомогою 3D-принтера, який проплив на 50 відсотків швидше за подібних собі прототипів. А американські вчені спостерігали за морськими зірками, щоб підводним м'яким роботам допомагати втримуватися на місці під час течій.