Мягкий робот, прикрепленный к воздушному шару и погруженный в прозрачный столб воды, ныряет и приземляется, затем снова ныряет и всплывает на поверхность, как рыба, преследующая мух. Мягкие роботы уже выполняли этот трюк. Но в отличие от большинства мягких роботов, этот сделан и работает без твердых или электронных частей. Внутри мягкий резиновый компьютер сообщает воздушному шару, когда подниматься или опускаться. Впервые этот робот опирается исключительно на мягкую цифровую логику.
В последнее десятилетие мягкие роботы ворвались в доминирующий металлом мир робототехники. Захваты, сделанные из резиновых силиконовых материалов, уже используются на сборочных линиях: мягкие когти обрабатывают деликатные фрукты и овощи, такие как помидоры, сельдерей и сосиски, или извлекают бутылки и свитера из ящиков. В лабораториях захватчики могут ловить скользкую рыбу, живых мышей и даже насекомых, что устраняет необходимость в большем человеческом взаимодействии .
Мягкие роботы уже требуют более простых систем управления, чем их жесткие аналоги. Захваты настолько совместимы, что просто не могут оказывать достаточного давления, чтобы повредить объект, и без необходимости калибровки давления достаточно простого выключателя. Но до сих пор большинство мягких роботов по-прежнему полагаются на некоторые аппаратные средства: металлические клапаны открывают и закрывают каналы воздуха, которые управляют резиновыми захватами и рукоятками, и компьютер сообщает этим клапанам, когда двигаться.
Теперь исследователи создали мягкий компьютер, используя только резину и воздух. «Мы эмулируем мыслительный процесс электронного компьютера, используя только мягкие материалы и пневматические сигналы, заменяя электронику сжатым воздухом», — говорит Дэниел Дж. Престон, первый автор статьи, опубликованной в PNAS, и научный сотрудник, работающий с Джорджем Уайтсайдсом. Вудфорд Л. и профессор университета Энн А. Флауэрс.
Для принятия решений компьютеры используют цифровые логические элементы, электронные схемы, которые принимают сообщения (входы) и определяют реакции (выходы) на основе их программирования. Наша схема не так уж и отличается: когда доктор ударяет по сухожилию ниже коленной чашечки (вход), нервная система запрограммирована дергать ногу (выход).
Полностью мягкий захват, управляемый человеком, реагирует на нажатие программной кнопки. Этот робот может собирать различные предметы странной или хрупкой формы даже после удара молотком.
Мягкий компьютер Preston имитирует эту систему, используя силиконовые трубки и сжатый воздух. Для достижения минимальных типов логических вентилей, требуемых для сложных операций — в данном случае НЕ, И, И ИЛИ — он запрограммировал мягкие клапаны на реагирование на различные давления воздуха. Например, для логического элемента NOT, если на входе высокое давление, на выходе будет низкое давление. По словам Престона, с этими тремя логическими элементами «вы можете повторить любое поведение, обнаруженное на любом электронном компьютере».
Например, качающийся роботоподобный робот в резервуаре для воды использует датчик давления окружающей среды (модифицированный вентиль NOT), чтобы определить, какое действие предпринять. Робот ныряет, когда контур чувствует низкое давление в верхней части резервуара, и появляется, когда он чувствует высокое давление на глубине. Робот также может появиться по команде, если кто-то нажмет внешнюю программную кнопку.
Роботы, построенные только из мягких частей, имеют несколько преимуществ. В промышленных условиях, таких как автомобильные заводы, массивные металлические машины работают со слепой скоростью и мощностью. Если человек мешает, жесткий робот может нанести непоправимый ущерб. Но если мягкий человек врезается в человека, говорит Престон, «вам не придется беспокоиться о травме или катастрофическом сбое». Они могут только прилагать столько сил.
Но мягкие роботы не просто безопаснее: они, как правило, дешевле и проще в изготовлении, легки, устойчивы к повреждениям и коррозии, долговечны. Добавьте интеллект и мягких роботов можно использовать не только для работы с помидорами. Например, робот может измерять температуру пользователя и выдавать мягкое сжатие, чтобы обозначить лихорадку, предупреждать дайвера, когда давление воды поднимается слишком высоко, или проталкивать мусор после стихийного бедствия, чтобы помочь найти жертв и предложить помощь.
Мягкие роботы также могут рисковать в тех местах, где борется электроника: сильные радиационные поля, подобные тем, которые возникают после ядерной неисправности или в космосе, и внутри машин магнитно-резонансной томографии (МРТ). После урагана или наводнения выносливый мягкий робот может управлять опасной местностью и вредным воздухом. «Если его сбивает машина, он просто продолжает двигаться, чего у нас нет с жесткими роботами», — говорит Престон.
Полуавтономный погружной робот измеряет давление воды с помощью мягкого компьютера. Робот ныряет, когда он чувствует низкое давление (вблизи поверхности), и поднимается, когда он чувствует высокое давление (на глубине). Робот также появляется по команде при нажатии внешней кнопки. Предоставлено: DJ Preston, P. Rothemund, HJ Jiang, MP Nemitz, J. Rawson, Z. Suo и GM Whitesides
Престон и его коллеги не первые, кто управляет роботами без электроники. Другие исследовательские группы разработали микрожидкостные схемы, которые могут использовать жидкость и воздух для создания неэлектронных логических вентилей. Один микрофлюидный генератор помог мягкому роботу в форме осьминога взмахнуть руками.
Тем не менее, микрожидкостные логические схемы часто опираются на твердые материалы, такие как стекло или твердые пластмассы, и используют такие тонкие каналы, что только небольшое количество воздуха может перемещаться за один раз, замедляя движение робота. Для сравнения, каналы Престона больше по размеру — около одного миллиметра в диаметре — что позволяет значительно увеличить скорость воздушного потока. Его воздушные захваты могут захватить объект за считанные секунды.
Микрожидкостные схемы также менее энергоэффективны. Даже в состоянии покоя устройства используют пневматический резистор, который пропускает воздух из атмосферы к источнику вакуума или давления для поддержания застоя. Схемы Престона не требуют ввода энергии в состоянии покоя. Такое энергосбережение может иметь решающее значение в чрезвычайных ситуациях или в чрезвычайных ситуациях, когда роботы перемещаются далеко от надежного источника энергии.
Резиновые роботы также предлагают заманчивую возможность: Невидимость. В зависимости от того, какой материал выберет Престон, он может разработать робота, который будет сопоставлен с указанным веществом. Таким образом, если он выберет материал, который маскируется в воде, робот окажется прозрачным при погружении. В будущем он и его коллеги надеются создать автономных роботов, которые не будут видны невооруженным глазом или даже для обнаружения сонарами. «Это просто вопрос выбора правильных материалов», — говорит он.
Для Престона подходящими материалами являются эластомеры (или каучуки). В то время как другие области стремятся к большей мощности с помощью машинного обучения и искусственного интеллекта, команда Whitesides отворачивается от сложности монтажа. «Там много возможностей, — говорит Престон, — но также неплохо сделать шаг назад и подумать, есть ли более простой способ сделать то, что дает вам тот же результат, особенно если это не только проще, это также дешевле «.
