Робот на чотирьох надувних ніжках навчився ходити без електроніки

Американські інженери обійшлися без електронних компонентів для чотириногого робота та навчили його ходити лише за допомогою повітря. Вчені звернулися до концепції центрального генератора шаблонів руху, яку використовують тварини для ритмічних рухів. Так їхній м’який робот крокує лише завдяки гнучким клапанам, які створюють коливання аналогічно до нейронних сигналів у живій природі. Робот вміє обходити перешкоди, а для автономної роботи йому потрібне лише постійне джерело стисненого повітря, повідомляють інженери у Science Robotics.

UC San Diego

Що рухає м’яких роботів?

М’які роботи вже давно стали популярною тенденцією у робототехніці, адже обходять звичайних у гнучкості, адаптивності та безпечності як для людей, з якими їм співпрацювати, так і для самих себе у складних умовах. Для них використовують великий спектр можливих шляхів приведення у рух: пневматичним або гідравлічним тиском, аналогами м’язів та розумними матеріалами. Одним з найпопулярніших способів наділити таких роботів рухом є використання надувних компонентів і тиску повітря. Це краще допомагає їм обережніше поводитися з крихкими предметами, якщо це, наприклад, роборука, а також полегшує пересування, де необхідно вміти тримати форму і одночасно вміти адаптуватися, щоб захистити конструкцію від пошкодження.

Як правило, цей підхід потребує надування герметичної камери у тілі робота з регульованим тиском подачі, асиметрія якої потім змушує м'якого робота рухатися у заданому напрямку - вигинатися, скручуватися, розтягуватися, стискатися тощо. Така піддатливість кінцівок робота дає змогу протискуватися в обмеженому просторі, рухатися різними місцевостями від піску до гальки, а також стрибати, ковзати, повзати і плавати. Але поки для більшості таких повітряних рішень використовуються електронні схеми, насоси та джерела живлення, що збільшує вартість і ускладнює виробництво.

Як відмовитися від електроніки?

У своєму дослідженні інженери вирішили звернутися до природи, а саме до комах, які рухаються, ритмічно створюючи прості коливальні рухи. Таким собі ланцюгом управління виступають генератори центральних патернів (central pattern generator, CPG) — нейронні ансамблі, які створюють певну моторну програму(патерн, шаблон). Тобто завдяки моторній програмі, наприклад, для бігу риссю або галопом, м’язи отримують певну команду та починають скорочуватися і розслаблятися у певній послідовності, що допомагає тваринам рухатися, докладаючи при цьому набагато менше зусиль. Втім, деякі тварини, наприклад комахи-паличники або таргани, можуть регулювати свої програми відповідно до середовища. Так вони можуть зменшувати або збільшувати свою швидкість залежно від того, що відчувають своїми вусами-антенами. Ці два принципи і використали для свого чотириногого робота інженери, навчивши його надувні «м’язи» певним шаблонам скорочень, а також наділивши його аналогом антени, з якою він зможе відчувати перешкоди.

Якого робота створили вчені?

Розробка інженерів дещо схожа на черепаху: він рухається за таким самим патерном і також має хвостик. Він пересувається на чотирьох ніжках, які складаються з системи циліндричних камер та хитних клапанів, що дозволяють стисненому повітрю входити і виходити в певній послідовності. Ніжки мають три ступені свободи, що приводяться в рух трьома м'язами. За словами вчених, кількість ступенів свободи можна збільшити, однак для цього потрібно збільшувати кількість клапанів з розрахунку, що для коливання чотирьох камер їх буде потрібно п'ять. На хвостику робота розміщені прості механічні сенсори — бульбашки з водою, які при зіткненні з перешкодою, перемикають клапани руху, змушуючи робота змінити напрямок. Вони допомогли йому налаштувати свій стабільний ритмічний патерн на основі інформації з зовнішнього середовища.

Дослідники планують покращити свого робота, навчивши його ходити різними місцевостями та долати більшу кількість перешкод. Однак загалом, такий приклад робота, для якого не використали жодного електронного компонента можна вважати цілком автономним. За словами вчених, відсутність електронних компонентів не лише полегшує виробництво та зменшує вартість розробки, а і допоможе залучити таких роботів у середовищах, де не допускається наявність металу, наприклад, магнітних, або чутливих до займання — наприклад, шахтах.