Блог компании ua-hosting.company. Говоря о современной робототехнике, мы все чаще слышим словосочетание «мягкие роботы». Такие роботы обладают рядом преимуществ по сравнению со своими «жесткими» собратьями. Тем не менее и мягкие, и жесткие роботы сталкиваются с идентичными проблемами, одной из которых является навигация. Телодвижения, присущие различным представителям фауны, часто становятся источником вдохновения для инженеров.

Вот и ученые из Принстонского университета (США) вдохновились подвижностью гусениц и древним искусством складывания бумаги, в результате чего им удалось создать мультимодульного робота, способного с легкостью преодолевать самые сложные лабиринты.

Из чего сделан этот робот, как он показал себя во время практических испытаний, и в какой отрасли он может быть полезен? Ответы на эти вопросы мы найдем в докладе ученых.

Основа исследования

С каждым годом мягкая робототехника становится все более и более популярной. Мягкие роботы, в отличие от своих жестких собратьев, изготавливаются из гибких материалов (эластомеры, гели, ткани и т. д.), позволяющих им сгибаться, деформироваться и взаимодействовать с окружающей средой, как это делают многие биологические виды.

Имитируя гибкость и адаптируемость мягких тканей в биологических системах, мягкие роботы демонстрируют уникальные особенности. К ним можно отнести более широкий спектр движений, более бережное взаимодействие с предметами и способность адаптироваться к динамически меняющейся среде.

На данный момент существует множество исследований, нацеленных на разработку мягких роботов, однако многие из них сталкиваются с идентичными проблемами: двунаправленное движение (вперед/назад) и изменение угла движения (руление). Если обратиться к природе, то биологической системой, способной на вышеописанные типы движения, являются гусеницы. Механизмы передвижения большинства видов гусениц можно разделить на два типа — медленное движение (с множеством последовательных этапов) и ползание.

Недавно, вдохновленные механизмом медленного перемещения, ученые создали двунаправленного мягкого робота, использующего распределенное программируемое электротермическое приведение в действие. Другие ученые, взявшие за основу механизм ползания гусениц, создали мягкого робота на основе светочувствительного эластомера. Данный робот продемонстрировал возможность двунаправленного движения под лазерным лучом. Проблема в том, что оба эти робота лишены рулевого движения. Другими словами, какие-либо повороты и изменения угла движения им недоступны.

Управление передвижением представляет собой еще большую проблему для мягких роботов. Рулевой механизм мягкой робототехники можно разделить на два типа: жесткое рулевое управление и непрерывное рулевое управление. Ранее ученым уже удалось создать робота-гусеницу с телом, вдохновленным оригами. Этот робот был мягким, но механизм движения был жестким (каркасным). Жесткое рулевое управление позволяет совершать резкие повороты, но затрудняет работу в ограниченном пространстве, где вращение на месте может быть затруднено. Еще одним недостатком является метод управления механизмом движения — магнитное поле. Данные метод слишком сложен и затратен.

Несмотря на ограниченный успех вышеперечисленных исследований, в каждом из них есть нечто особенное и крайне важное для будущих работ. Модульные конструкции на основе оригами, известные своей способностью программировать режим локальной деформации в каждом модульном блоке, представляют собой потенциальное решение для осуществления локального управления сегментами мягкого робота. Чтобы имитировать многостепенную свободу гусеницы с мягким телом, предпочтительнее использовать нежесткие структуры оригами, поскольку они могут использовать локальную нелинейную деформацию для многопозиционного срабатывания.

Помимо самого тела робота важным является и метод приведения в действие его частей. Ранее уже описывались применения различных стимулов актуации: давление, тепло, электрическое поле, магнитное поле, химический потенциал и т. д. Биморфные термоприводы, в основе которых лежит несоответствие коэффициентов теплового расширения* (CTE от coefficient of thermal expansion) двух материалов, привлекли большое внимание благодаря программируемому управлению, небольшому весу, низкому напряжению срабатывания и возможности автономной работы (например, посредством беспроводной зарядки).

Коэффициент теплового расширения* — физическая величина, характеризующая относительное изменение объема или линейных размеров тела с увеличением температуры на 1 К при постоянном давлении.

В рассматриваемом нами сегодня труде ученые описывают разработанного ими мягкого цилиндрического робота-оригами (оригами Креслинга), имитирующего поведение гусеницы с несколькими степенями свободы.

Пример оригами Креслинга.

Данный робот состоит из нескольких блоков Креслинга, каждый из которых является активным или пассивным. Активный блок включает в себя два электротермических биморфных привода, которые эффективно интегрированы в панели оригами для поддержания структурной целостности. Активный блок может деформироваться в двух режимах — осевой деформации и изгибе — путем управления токами, подаваемыми на два привода. В мягком роботе, состоящем из нескольких блоков Креслинга, каждый активный блок можно запрограммировать индивидуально для управления желаемой деформацией. С другой стороны, пассивные блоки усиливают кривизну изгиба, что еще больше повышает эффективность рулевого управления робота. Помимо помощи в передвижении, эти пассивные единицы могут выполнять и другие функции, например, транспортировку грузов.