Клапан давления с продуманной конструкцией позволяет мягким роботам реагировать на окружающую среду без необходимости компьютерного управления, сообщают исследователи AMOLF в своей статье в журнале Matter. Это делает роботов с естественными движениями и тактильными реакциями, подобными живым организмам, на один шаг ближе к реальности. Такие разработки делают мягких роботов более подходящими для исследования пересеченной и неизвестной местности или для медицинских целей.
Мы до сих пор часто думаем о роботах как о жестких машинах, управляемых центральным компьютером , который предварительно просчитывает каждый шаг. И наоборот, живые организмы двигаются плавно, потому что разумное поведение укоренилось в их телах. Это было бы идеально для роботов, которые должны постоянно взаимодействовать с людьми, например, в медицине. Поэтому исследователи в области мягкой робототехники разрабатывают роботов из мягких, гибких материалов, которые могут реагировать на изменения в окружающей среде без внешнего управления.
Бас Овервельде, глава группы Soft Robotic Matter в AMOLF: «Мы хотим создавать роботов без центрального компьютера, которые могут двигаться и реагировать на окружающую среду благодаря рефлексам, встроенным в тело робота». В журнале Matter команда Овервельде представляет такого мягкого робота, который работает на давлении воздуха без необходимости использования электроники. Он может ходить и менять ритм, реагируя на окружающую среду благодаря продуманному клапану.
Бутылка кетчупа
В основе нового мягкого робота лежит «гистерезисный клапан», как исследователи называют свое изобретение в своей публикации. Посторонние могут узнать в клапане вариант открывания бутылки с кетчупом. «Клапан гарантирует, что вы сможете легко дозировать кетчуп и что жидкость не вытечет из бутылки», — говорит Овервельде. «Но если вы перевернете бутылку вверх дном и сильно сожмете ее, кетчуп иногда разбрызгивается и создает беспорядок». Это происходит, когда проем многократно и быстро открывается и закрывается. Современные бутылки были адаптированы таким образом, чтобы они брызгали как можно меньше, но Овервельде и его коллеги решили выяснить, может ли это обычно нежелательное поведение позволить роботу двигаться.
Исследователи начали с компьютерной модели для разработки таких характеристик, как жесткость крошечных створок в отверстии клапана. После этого клапаны были изготовлены путем заливки силиконовой резины в точную форму, напечатанную на 3D-принтере. Затем с помощью лазера они вырезают в клапанах небольшие насечки. В результате этого они произвели клапаны, которые нормально закрыты и внезапно открываются, когда давление становится достаточно высоким. Клапаны снова закрываются только после значительного снижения давления. Если вы подсоедините такой клапан к насосу и резервуару, вы автоматически создадите ритм повышения давления и выпуска воздуха. При этом мышцы мягкого робота попеременно надуваются и расслабляются.
Новый компонент кажется простым, но было обнаружено, что он обладает скрытыми способностями, говорит доктор философии AMOLF. студент Луук ван Лааке. «Когда мы построили компьютерную модель двух таких клапанов, подключенных к одному и тому же резервуару, они начали открываться попеременно с высокой точностью. Это было совершенно неожиданно, но впоследствии это подтвердилось и на практике». Опираясь на этот принцип, исследователи смогли построить четвероногого робота с естественной походкой, не нуждающегося в каких-либо внешних командах. А еще они управляли демонстратором мягкой роботизированной руки с пятью ритмично постукивающими пальцами.
Реакция на окружающую среду
Предельной мечтой разработчиков мягких роботов является робот, который не только движется, но и реагирует на окружающую среду. Ван Лааке: «В конечном итоге вам нужен робот, который автоматически меняет свою походку, если сталкивается с препятствием только потому, что мышцы и суставы реагируют на изменение давления».
В лаборатории реакция робота на окружающую среду уже доказала свою эффективность. Когда исследователи ненадолго закрыли гибкую трубку, слегка сжав ее, давление в теле робота изменилось, и робот переключился на другую походку. «Наши мягкие роботы реагируют на окружающую среду без необходимости центрального компьютера», — объясняет Ван Лааке.
Эффективность
Нам еще предстоит пройти долгий путь, прежде чем у нас появятся мягкие роботы у постели больного. Но исследователи с оптимизмом смотрят на перспективы. Овервельде: «С нашим роботом вы можете увидеть, как простые компоненты могут использоваться для создания сложного поведения без необходимости в компьютере, который просчитывает каждое движение».
По словам Ван Лааке, мягкий робот , который двигается за счет естественных рефлексов, будет экономить не только мощность компьютера, но и энергию. «В живых организмах многие движения и поведение возникают из-за формы тела и механики мышц, а не мозга, направляющего все движения». Например, наше сердце автоматически уравновешивает давление в левом и правом желудочках , и мы повторно используем упругую энергию, хранящуюся в наших сухожилиях, на каждом шагу, который мы делаем. «Это невероятно эффективно. В этой области еще предстоит изучить очень много вариантов поведения».
