Мягкая роботизированная рука наконец-то достигла исторического достижения: победа над первым уровнем Super Mario Bros. Хотя быстрое нажатие и отпускание кнопок и навигационной панели на контроллере Nintendo Entertainment System — это забавный тест производительности этой трехпалой машины, настоящий прорыв не в том, что он делает, а в том, как он был создан.

Рука, играющая в Марио, а также два черепахоподобных «мягких робота», описанные в той же недавней статье Science Advances, были напечатаны в трехмерном изображении за один процесс, который занял всего от трех до восьми часов. «Каждый из этих роботов в этой статье был напечатан на 100% без необходимости сборки», — говорит соавтор Райан Сочол, доцент кафедры машиностроения в Университете Мэриленда.

Одношаговое производство упростит для исследователей разработку все более сложных мягких роботов. Мягкий макияж этих ботов позволяет им взаимодействовать с хрупкими материалами, такими как ткани человеческого тела, без повреждений, которые могут нанести более жесткие машины. Это делает их хорошими кандидатами для выполнения таких задач, как хирургическое вмешательство, поисково-спасательные операции и даже сортировка фруктов или других легко повреждаемых предметов. Но пока что большинство таких ботов все еще включают в себя хотя бы некоторые жесткие компоненты. Только в 2016 году исследователи создали его полностью из гибких материалов. Чтобы сделать этого мягкого робота , похожего на осьминогаработы, его создателям пришлось отказаться от жестких электронных схем в пользу микрожидкостных. В таких контурах вода или воздух движутся по микроканалам; его поток модифицируется жидкостными аналогами электронных компонентов, таких как транзисторы и диоды.

В новом исследовании исследователи активизировали развитие этой технологии. «Они представили гораздо более сложные микрожидкостные схемы», — говорит профессор инженерии Гарвардского университета Дженнифер Льюис, которая является соавтором статьи 2016 года, но не участвовала в проекте Университета Мэриленда. Например, в руке, играющей в Марио, схема позволяла одному источнику жидкости посылать разные сигналы, приказывая каждому пальцу двигаться независимо, просто изменяя входное давление.

Но, делая мягких роботов более сложными, гидравлические схемы также усложняют производство и сборку машин. Вот почему Sochol так взволнован возможностью распечатать их за один шаг. «Никогда еще не было сделано всего за один прогон, — говорит он, — чтобы получить целый мягкий робот со всеми напечатанными интегрированными жидкостными схемами, функциями тела и мягкими исполнительными механизмами [движущимися частями]».

Он и его коллеги использовали трехмерный принтер PolyJet, тип, который устанавливает жидкий слой, подвергает его свету, который затвердевает, а затем добавляет следующий слой. Модель, которую они использовали, произведенная компанией под названием StrataSys, могла производить три типа материала: мягкое резинообразное вещество, более жесткое, подобное пластику, и водорастворимый «жертвенный материал», который действует как строительные леса во время печати, но должен быть удален с конечный продукт потом.

Такие высокотехнологичные принтеры могут продаваться в розницу за десятки тысяч долларов, но команде Сохола не нужно было их покупать. «Для этого мы используем службу на территории кампуса», — говорит он. «Итак, мы отправили им наши файлы, они распечатали их, а затем мы забрали их». По оценке Сочола, любой желающий напечатать один из этих дизайнов — который его команда разместила как программное обеспечение с открытым доступом на сайте разработки GitHub — мог бы использовать аналогичную услугу трехмерной печати примерно за 100 долларов или меньше.

Сочол утверждает, что этот процесс быстрее, дешевле и проще, чем изготовление микрожидкостного контура в чистой комнате, создание отдельного робота и последующее их объединение. Льюис не полностью согласен. «В этом есть элегантность. Я не уверена, что это быстрее, дешевле, обязательно », — говорит она. «Но есть громоздкая природа в том, чтобы создать схему одним способом, а затем вставить ее, как мы, в отформованного и напечатанного на 3D-принтере робота. И я бы сказал, что метод, который выбрали [Сочол и его коллеги] … имеет много преимуществ с точки зрения возможности печати на нескольких материалах разной жесткости ». Льюис также отмечает, что новый программный бот не готов к работе сразу после печати. «Одна из трудностей их метода состоит в том, что вы должны удалить весь жертвенный материал», — говорит она. «А когда он находится снаружи тела, просто в качестве поддержки, это нормально. Но он также присутствует во всех этих внутренних каналах ».

ЭТО Я, МАРИО!

После очистки своих печатных роботов команде Сочола ​​пришлось разработать тест производительности. Более ранние исследования запрограммированы роботизированных пальцы , чтобы играть мелодию на фортепиано , например, но команда Sochol думала , что задача была слишком легко. «При этом мы могли бы установить время произвольно, — говорит он. «Если робот пропустит заметку или что-то в этом роде, серьезных наказаний нет». Видеоигры казались немного более бескомпромиссными. «Если вы сделаете ошибку, если мы не нажмем кнопку в нужное время или не [отпустим] кнопку в нужное время, вы можете натолкнуться на врага, вы можете упасть в яму, и это Немедленно игра окончена », — говорит Сочол.

Исследователи поместили свою трехпалую роботизированную руку на контроллер Nintendo, при этом каждый палец касался отдельной кнопки или навигационной панели. Подавая жидкость через линию управления при разном давлении, они могли заставить реагировать каждый палец. «При низком давлении контур может реагировать на это и нажимать только кнопку, которая заставляет Марио двигаться вперед», — объясняет Сочол. «А затем для среднего давления второй палец начинает нажимать кнопку, и теперь Марио может бежать. А затем, если давление будет сильным, все три пальца будут нажимать соответствующие кнопки, и Марио подпрыгнет ».

Команда написала компьютерную программу, которая автоматически изменяла давление, заставляя пальцы двигаться в заданном порядке. Поскольку люди играли в Super Mario Bros. десятилетиями, команда точно знала, какую последовательность кнопок нужно будет нажать руке, чтобы выиграть первый уровень игры. Ему просто нужно было пройти через этот заранее запрограммированный список с правильным таймингом — что сложнее, чем кажется. Сложность, по словам Сочола, заключалась в том, чтобы «заставить его не просто нажимать кнопку, а затем прекращать нажимать ее, а затем подавлять ее, потому что во многих случаях Марио приходится прыгать, а затем снова прыгать очень быстро, когда он бежит».