Змієподібний робот навчився ховатися під землею і несподівано виринати

Робота навчили рити «носом» землю, здувати навколо себе пісок та повзти ним, щоб у майбутньому відпустити його досліджувати підземні середовища. Він може уникати перешкод, скручуючись і повертаючись, як змія, або пірнати у пісок і обходити їх під землею. Детальніше про те, як робот із єдиною рухомою частиною - головою - зміг подолати пісочницю та у майбутньому зможе рити лід на екзопланетах, інженери розповіли у Science Robotics.

Що заважає роботам ритися у піску?

Загалом роботи непогано вміють працювати у різних середовищах: від Маріанської западини до Марсіанських кратерів. Інженери здатні принаймні приблизно підготувати роботів до того, як слід махати плавниками, щоб їх не віднесло течією, або з якою силою пересувати кінцівки, щоб не підковзнутися на мокрій траві. Однак, під землю роботам забиратися складно - хіба що вже виритими, наприклад, вомбатами норами. Із підземною навігацією у інженерів проблеми почасти тому, що сили взаємодії при русі під землею на порядки вищі, ніж у повітрі або воді. Причому їхні особливості ще слід досліджувати вченим, щоб мати більш чітке розуміння фундаментальної фізики для цих взаємодій.

Так, наприклад, першою проблемою підземного пересування є сила опору середовища, яка безпосередньо чинить опір руху. Вода чи повітря також чинять опір, однак ґрунт або пісок - це гранульовані матеріали, вплив яких створюється силами скупчень цих твердих частинок, які взаємодіють між собою. Це тягне за собою й іншу проблему - взаємодія із тим же піском може збити робота з курсу, адже сили, що діють на нього змушують його виринати назад на поверхню.

Як роботу залізти під землю?

З опором піску, який примушує виринати нагору, інженери борються зазвичай великими машинами з жорсткими і масивними компонентами. Тому для невеликих дослідних роботів традиційні методи на кшталт буріння не підійдуть. У місії НАСА InSight, наприклад, щоб розмістити у марсіанському ґрунті датчики, використовувався ударний механізм. Втім, зонд не зміг дістатися потрібної глибини і на відмітці у два-три сантиметра дослідники були вимушені припинити роботу цієї частини експерименту.

Тому у своїй роботі вчені вирішили звернутися до прикладів з природи, які замість того, щоб безпосередньо боротися з підіймальними силами і силами опору ґрунту, вміють зменшувати і контролювати його вплив. Так, наприклад, деякі риби, восьминоги та молюски використовують воду, щоб розганяти довкола себе пісок, подібно до яких працює ультразвукове буріння. Або деякі наземні плазуни використовують свою голову при копанні нір, щоб створювати від'ємну підіймальну силу і полегшувати собі копання. Дослідники Віргінського інституту вирішили об'єднати у своєму роботі обидва ці способи вирити собі яму.

І який робот у них вийшов?

Завданням нового робота було перевірити, чи дійсно йому допоможе рухомий ніс відчувати меншу силу опору у піску, чи допоможе повітря розрідити пісок, та чи зможе він справитися із підіймальною силою, якщо повітря напрявлятиметься асиметрично. Для цього його наділили м'якою трубкою з нееластичної повітронепроникної тканини, яка розширюватиметься під дією повітря, спрямованим потоком повітря на кінчику його голови та двома соплами, щоб цей потік розділяти. Робот керується сухожиллями із зовнішнього боку його тіла, які проходять по всій довжині, але впливають лише на його голову.

До чого він докопався?

У першому експерименті робот успішно подолав 60 сантиметрів пісочниці на глибині близько восьми сантиметрів зі швидкістю два сантиметри на секунду. Потім він зміг повернути направо, збільшивши натяг сухожиль з правого боку, а у третьому випробуванні повернув направо, а потім наліво, щоб уникнути закопаної перешкоди. За рухом робота вчені слідкували за допомогою зубочистки, яка визирала над поверхнею. Йому вдавалося залишатися під землею на відносно постійній глибині. Вертикально закопуватися у пісок він вміє на глибину 35 сантиметрів зі швидкістю два сантиметри на секунду, а допомагали йому у цьому потоки повітря, які розріджували пісок на його шляху.

Це дослідження допомогло не лише розібратися із фізикою занурення у гранульовані середовища, а і показало, як ними можна керувати за допомогою м'якого робота. І хоч поки робот не вміє закопуватися на глибину більшу кількох метрів, у майбутньому він зможе збирати проби ґрунту не лише на Землі, а і на сухих, позаземних середовищах з низькою гравітацією, та зможе розміщувати датчики на Марсі, досліджувати кратери на Місяці чи навіть лід на Енцеладі.

---