Технології
Технології

Магнітне поле порухало складене з оригамі роботизоване щупальце

Американські інженери надихнулися восьминогами та оригамі і створили керовану магнітним полем роборуку, що вміє рухатися завдяки вигинанню своїх сегментів. Від оригамі вони взяли спосіб складання силіконових шестикутників, а від восьминогів — вміння вигинати і скручувати свої щупальці. Руці додали магнітних частинок, які за потрапляння під дію магнітного поля і змушували її рухатися. Такого робота планують використовувати для дослідження незручних середовищ та у медицині завдяки можливості дистанційного керування, повідомляють вчені у Proceedings of the National Academy of Sciences.

Shuai Wu.

Shuai Wu.

Кому потрібен такий робот?

Ефективність роботизованих маніпуляторів залежить від того, скільки ступенів свободи вони мають — параметрів, які визначають положення системи. І для жорсткої робототехніки цей показник залежить від кількості «суглобів» системи, які забезпечують обертальні і поступальні рухи. Втім, з появою м'яких роботів, у яких немає жорстких каркасів, інженери побачили можливість створення робота, повністю вільного від цього обмеження. Деформованість і піддатливість дає їм змогу легко підлаштовуватися під будь-які середовища і тим самим полегшувати завдання вченим: їм більше не потрібно програмувати робота під конкретні дії. Втім, це створює і нові виклики — як змусити такого гнучкого робота рухатися у потрібному напрямку? Як забезпечити цей рух, не звертаючись до жорстких двигунів і складних механізмів? З цим вчені найчастіше звертаються до прикладів з природи. Надихаються будь-ким, хто вміє ефективно використовувати свою гнучкість: від хоботів слонів до морських огірків. Щупальцями та клешнями деякі навчилися навіть вкручувати лампочки та впізнавати предмети на дотик. Не менш привабливим прикладом для дослідників є восьминоги, що вміють пристосовувати свої щупальця і до ходьби, і до плавання, і до хапання предметів.

Не так давно ми писали, як дуже вправні у хапанні та маніпуляції об'єктами австралійські восьминоги використовують це у своїх соціальних взаємодіях та не проти пожбурлятися сміттям один в одного.

Тож не дивно, що вчені з університету Джорджії та Огайо спробували повторити успіх восьминогів зі своїм оригамі роботом. До оригамі вони звернулися за конструкційною простотою та компромісом між жорсткістю і деформованістю. Японське мистецтво складання фігурок з паперу дає змогу перетворювати плоскі конструкції у масштабні тривимірні архітектури, здатні до миттєвої реконфігурації залежно від того, яке саме розташування складок виберуть інженери на матеріалі. Всього три стандартні конфігурації подушечок пальців, наприклад, допомогли роботу втримати предмети від квадратної до круглої форми. Більше про те, у що здатні складатися робогамі можна почитати у нашому матеріалі «Складні роботи», а у цій роботі інженери представили робота, складеного «гармошкою», кожний виступ якого додавав ступенів свободи, які робот реалізовував під впливом магнітного поля. За словами дослідників, їхня конструкція підійде не лише для створення роботів, яких можна запускати у незручні середовища, а і для медичних пристроїв, як-то трубки і катетери, якими можна буде керувати дистанційно.

Одна зі складових робота, здатна до вертіння завдяки своїм граням. Shuai Wu et al. / Proceedings of the National Academy of Sciences, 2021

Одна зі складових робота, здатна до вертіння завдяки своїм граням. Shuai Wu et al. / Proceedings of the National Academy of Sciences, 2021

Як покерувати роботом через магнітне поле?

Робогамі, немов спеціально навчені для скорочення, розгортання, згинання і скручування, вимагають рушійного механізму, який би скеровував їх та регулював. Зазвичай це кілька електроприводів або пневматичні насоси, однак це значно обмежує гнучкість і універсальність робота, яким би інженером хотілося б ще і керувати дистанційно. У цій роботі вчені звернулися до патернів Креслінга (Kresling patterns) у оригамі — гвинтоподібні структури, які дають змогу зв'язати обертальний і поступальний рух. Це ідеальний будівельний блок для заснованих на оригамі роботів, бо забезпечує і розгортання, і складання, і вигин без потреби у значній прикладеній силі.

Shuai Wu et al. / Proceedings of the National Academy of Sciences, 2021

Shuai Wu et al. / Proceedings of the National Academy of Sciences, 2021

Тому, щоб реалізувати перемикання між цими режимами, інженери змогли звернутися до магнітного спрацьовування. Магнітне спрацьовування завдяки простоті використання часто використовують мініатюрні медичні пристрої для роботи у кишківнику, трахеї чи бронхах. Так у кожний із 12 сегментів додали магнітні частинки і отримали контроль над кожною окремо завдяки різним налаштуванням магнітного поля. Магнітні частинки намагаються вирівнятися з доданим зовні магнітним полем, а отже їхнім напрямком можна керувати, і заразом крутним моментом, направляючи робота. Конкретно цей робот поступово розгортається, якщо закрутити частинки проти годинникової стрілки, та, навпаки, згортається, якщо спрямувати їх в інший бік.

Shuai Wu et al. / Proceedings of the National Academy of Sciences, 2021

Shuai Wu et al. / Proceedings of the National Academy of Sciences, 2021

Куди доповз робот?

Загалом у 12 сегментах цілого робота вчені розмістили чотири блоки зі структурами Креслінга, щоб дати йому змогу створювати більше конфігурацій, аніж згортання чи вигин. Керовані магнітним полем окремо, ці блоки дають змогу згортати або вигинати лише одну конкретну частину тіла робота, а отже і розширювати його можливості. Зелений блок з фіксованим дном і намагнічуванням забезпечує можливість всеспрямованого вигину, три блоки за ним (жовтий, синій і червоний) мають черговані напрямки згинів і сприяють розгортанню. Але, наприклад, жовтий блок і червоний можна розгорнути окремо від синього, а отже, наприклад, скрутити робота. Для запуску робота прикладають імпульсне поле зі значенням у 40 мілітесла, яким можна керувати спрямованими у різні сторони намагніченими частинками. Щоб зберегти напрямок вигину після розтягування, застосовується інше магнітне поле у 25 мілітесла. Дослідники визнають, що їх роботу не вистачає сили, але наголошують, що вона і не потрібна з огляду на те, що робот створений скоріше для більш делікатних завдань і не має сенсу ускладнювати його конструкцію.

Також раніше ми писали про те, як магнітне поле допомогло клею самостійно склеїтися у потрібному місці.