Нога робота, работающая на искусственных мышцах, превосходит традиционные конструкции.
Изобретатели и исследователи разрабатывают роботов уже почти 70 лет. На сегодняшний день все машины, которые они построили — будь то для фабрик или где-то еще — имеют одну общую черту: они работают на двигателях, технологии, которой уже 200 лет. Даже у шагающих роботов есть руки и ноги, которые работают на двигателях, а не на мышцах, как у людей и животных. Это отчасти объясняет, почему им не хватает подвижности и адаптивности живых существ.
Новая роботизированная нога с мускульным приводом не только более энергоэффективна, чем обычная, она также может совершать высокие прыжки и быстрые движения, а также обнаруживать препятствия и реагировать на них — и все это без необходимости в сложных датчиках. Новая нога была разработана исследователями из ETH Zurich и Института интеллектуальных систем Макса Планка (MPI-IS) в исследовательском партнерстве под названием Max Planck ETH Center for Learning Systems, известного как CLS.
Команду CLS возглавляли Роберт Кацшманн из ETH Zurich и Кристоф Кеплингер из MPI-IS. Их аспиранты Томас Бухнер и Тосихико Фукусима являются соавторами первой публикации команды о скелетно-мышечной роботизированной ноге, вдохновленной животными, в Nature Communications.
Электрически заряженный, как воздушный шар.
Как у людей и животных, разгибающая и сгибающая мышцы обеспечивают движение роботизированной ноги в обоих направлениях. Эти электрогидравлические приводы, которые исследователи называют HASEL, прикреплены к скелету сухожилиями.
Приводы представляют собой заполненные маслом пластиковые пакеты, похожие на те, что используются для изготовления кубиков льда. Примерно половина каждого пакета покрыта с обеих сторон черным электродом из проводящего материала.
Бухнер объясняет: «Как только мы подаем напряжение на электроды, они притягиваются друг к другу из-за статического электричества. Аналогично, когда я тру воздушный шар о голову, мои волосы прилипают к воздушному шару из-за того же статического электричества».
При увеличении напряжения электроды сближаются и оттесняют масло в мешке в одну сторону, в результате чего мешок в целом становится короче.
Пары этих приводов, прикрепленных к скелету, приводят к тем же парным движениям мышц, что и у живых существ. Когда одна мышца укорачивается, ее ответная часть удлиняется. Исследователи использовали компьютерный код, который взаимодействует с высоковольтными усилителями, чтобы контролировать, какие приводы сокращаются, а какие расширяются.
Более эффективно, чем электродвигатели
Исследователи сравнили энергоэффективность своей роботизированной ноги с энергоэффективностью обычной роботизированной ноги, работающей от электродвигателя. Среди прочего, они проанализировали, сколько энергии без необходимости преобразуется в тепло.
«На инфракрасном изображении легко увидеть, что моторизованная нога потребляет гораздо больше энергии, если, скажем, ей приходится удерживать согнутое положение», — говорит Бухнер.
Температура в электрогидравлической ноге, напротив, остается прежней. Это происходит потому, что искусственная мышца электростатична.
«Это похоже на пример с воздушным шаром и волосами, где волосы остаются прилипшими к воздушному шару в течение довольно долгого времени», — добавляет Бюхнер.
«Обычно роботам с электродвигателями требуется управление теплом, для чего требуются дополнительные радиаторы или вентиляторы для рассеивания тепла в воздухе. Нашей системе они не нужны», — говорит Фукусима.
Быстрое передвижение по неровной местности
Способность роботизированной ноги прыгать основана на ее способности взрывным образом поднимать собственный вес. Исследователи также показали, что роботизированная нога обладает высокой степенью адаптивности, что особенно важно для мягкой робототехники. Только если опорно-двигательный аппарат обладает достаточной эластичностью, он может гибко адаптироваться к рассматриваемой местности.
«С живыми существами все то же самое. Если мы не можем сгибать колени, например, ходить по неровной поверхности становится намного сложнее», — говорит Кацшманн. «Просто представьте, что вы делаете шаг с тротуара на дорогу».
В отличие от электродвигателей, которым требуются датчики для постоянного указания угла роботизированной ноги, искусственная мышца адаптируется к подходящему положению посредством взаимодействия с окружающей средой. Это управляется всего двумя входными сигналами: один для сгибания сустава и один для его разгибания.
Фукусима объясняет: «Адаптация к местности — ключевой аспект. Когда человек приземляется после прыжка в воздух, ему не нужно заранее думать о том, сгибать ли колени под углом 90 или 70 градусов». Тот же принцип применим к опорно-двигательному аппарату роботизированной ноги; при приземлении сустав ноги адаптивно перемещается под подходящим углом в зависимости от того, твердая или мягкая поверхность.
Новые технологии открывают новые возможности
Область исследований электрогидравлических приводов еще молода и появилась всего около шести лет назад.
«Область робототехники быстро развивается благодаря усовершенствованным средствам управления и машинному обучению; в то же время, прогресс в области робототехнического оборудования, что не менее важно, был гораздо меньше. Эта публикация — весомое напоминание о том, какой потенциал для прорывных инноваций возникает при внедрении новых концепций оборудования, таких как использование искусственных мышц», — говорит Кеплингер.
Кацшманн добавляет, что электрогидравлические приводы вряд ли будут использоваться в тяжелой технике на строительных площадках, но они предлагают определенные преимущества по сравнению со стандартными электродвигателями. Это особенно очевидно в таких приложениях, как захваты, где движения должны быть строго настроены в зависимости от того, является ли захватываемый объект, например, мячом, яйцом или помидором.
У Кацшмана есть одно замечание: «По сравнению с шагающими роботами с электродвигателями наша система все еще ограничена. В настоящее время нога прикреплена к стержню, прыгает по кругу и пока не может свободно двигаться».
Будущая работа должна преодолеть эти ограничения, открыв дверь к разработке настоящих шагающих роботов с искусственными мышцами. Он далее поясняет: «Если мы объединим роботизированную ногу с четвероногим роботом или гуманоидным роботом с двумя ногами, возможно, однажды, когда он будет работать от батареи, мы сможем использовать его в качестве спасательного робота».
