Складні роботи. Що спільного між оригамі та робототехнікою?
Здавалося б, що спільного між паперовими журавликами та роботами?
Насправді оригамі — це джерело натхнення та інструмент для втілення фантазій робототехніків, які прагнуть зробити універсального автономного робота, здатного і літати, і смугу перешкод пройти, і в космос відправитися. Оригамі дає змогу створити з одного аркуша паперу безліч тривимірних форм, а робототехніка — оснастити його штучним інтелектом та зрушити з місця. Робогамі вже вміють робити сальто, літати як сонечки та навіть об’єднуватися у мегаробота. Тож, чим трансформери і робовосьминоги переконали інженерів звернутися до японського мистецтва складання паперу, чому НАСА обирає робогамі та як управляти таким роботом через магнітне поле - у матеріалі Nauka.ua
Хіба інженери не дивилися «Трансформерів»?
Класичні роботи хоч і не завжди схожі на людей або тварин, однак у рух їх приводять все ж дуже схожі конструкції: троси-сухожилля всередині корпуса, з’єднання-суглоби та силові приводи-м’язи. Така будова означає, що максимум їхнього функціоналу заздалегідь обмежений — роботів створюють під конкретні задачі, а тому розробники обирають єдині розмір, конструкцію, тип пересування та інші параметри, які найбільше підходять для визначених умов. Роботи мають дуже мало варіантів їхньої форми, а отже погано вміють адаптуватися під середовище: іноді потрібно стати нижчим, іноді меншим або більшим, а іноді взагалі скластися. Поки роботи-трансформери - це не про екшн між автоботами та десептиконами і навряд чи так колись буде. На це є свої причини: модулі мають бути недорогими і взаємозамінними, а витрати енергії на їхній рух — мінімальними. Реальному Оптимусу Прайму потрібен принаймні гідравлічний двигун, а це знову витрати і складнощі, адже всю гідравлічну конструкцію з насосів, клапанів та трубок ще потрібно якось трансформувати разом з роботом.
Втім, твердотілі роботи-амфібії існують, хоч їх і не можна повноцінно називати трансформерами. Так можна або навчити дрони кооперуватися з роботами та допомагати їм справлятися з водою або сушею, або об’єднати потрібні механізми і навчити роботів на ходу перевзуватися, щоб рухатися бездоріжжям, чи по-різному використовувати свої колеса і гвинти, щоб збиратися на стіни або плавати. Проте, якими б захоплюючими такі роботи не були, їхня головна проблема полягає в тому, що зазвичай у повітрі їм не знадобиться, наприклад, важкий гідрозахист, а навчити їх автономно допомагати один одному — складно, адже потрібно забезпечити їм спосіб з’єднання та алгоритм комунікації.
Пом’якшуйся, змінюй форму, адаптуйся
Ще один варіант для поліморфних роботів — м’яка робототехніка. Такі роботи конструюються з повністю м'яких матеріалів і зазвичай схожі на черв'яків або восьминогів. Саме завдяки своїй м’якості такі роботи можуть застосовуватися там, де потрібна делікатна взаємодія з довкіллям, наприклад в медицині, при роботі з крихкими предметами або у складних умовах, які потребують гнучкості. Найкраще таких роботів навчили хапати предмети: вони можуть робити це щупальцями та клешнями, а деякі своїми «руками» навчилися навіть вкручувати лампочки та впізнавати предмети на дотик. У рух їх приводять гідравлічні приводи, електроактивні полімери, гідрогель, м’які пневматичні генератори. Однак водночас каменем спотикання м’яких роботів є недостатня жорсткість конструкції. Вона ускладнює їхнє швидке переміщення в просторі через затримку в передачі впливу на рухомі елементи робота та обмежує використання багатьох датчиків, які все ще залишаються жорсткими.
НАСА обирає оригамі
Роботи-оригамі — це складені конструкції з надтонких матеріалів, які можуть змінювати свою форму і краще пристосовуватися до середовища, ніж інші роботи. Це безліч динамічних, заснованих на геометрії, складок, які діють разом, і приводять машину в дію. Вони водночас мають характеристики як жорстких, так і м'яких роботів, та можуть виконувати більший обсяг завдань з меншою кількістю елементів.
І тому космос — це ідеальне середовище для робогамі, адже космонавтам та і космічним апаратам важко дозволити собі везти величезну кількість техніки. Однак всі проблеми вирішить одна роботизована платформа, як-то здатний адаптуватися завдяки складкам оригамі-радіатор для космічних супутників, або один комплект модулів для робогамі. Так, наприклад лабораторія реактивного руху НАСА розробилаі випробувала прототип колісного робота PUFFER, який може бути як чотириколісним, так і двоколісним, і при цьому може використовувати колеса з різним протектором в залежності від рельєфу місцевості, якою він пересувається. Він може проїхати 250 метрів слизькими поверхнями і кам'янистими схилами з нахилом в 45 градусів, витримати падіння з «марсіанської триметрової висоти» та проповзти під перешкодами, просто змінюючи форму рами. Його компактна конструкція дає змогу створити кілька таких роботів. Тому розробники пропонують доставляти їх на станції чи інші планети, складаючи на більший, «материнський», ровер, навколо якого вони потім досліджуватимуть місцевість, повертаючись для підзарядки і передачі зразків для аналізу. Також на них можна розмістити ще одних складених роботів, як, наприклад, систему розпилення стиснутого газу POCCET (PUFFER-Oriented Compact Cleaning and Excavation Tool), яка може рити ямки в реголіті і очищувати сонячні панелі від пилу.
Оригамі — це не лише журавлики, а і мурахи, сонечки та вуховертки
Звичайно, інженери випробували і звичайні форми оригамі. Наприклад вчені з MIT випробували популярний оригамі-патерн «магічна куля» для конструювання маніпулятора, який легко змінює форму зі сферичної на циліндричну та може навіть взяти чашку за ручку. А інженерам з Мічиганського університету вдалося створити універсальну платформу, яка може складатися і у маніпулятор, і згинатися у мапу Міурі(цю форму оригамі, до речі, розробив японський астрофізик), і навіть махати крилами у формі журавля. Цей робот стане в нагоді для створення медичних пристроїв, мікроботів і метаматеріалів.
Але у дикій природі багато чого також вміє складатися: наприклад, квіти і листя багатьох рослин у бруньки, крила комах у коконах. Такий широкий спектр складних поліморфних структур надихнув інженерів на створення робота за подобою крил жука-сонечка та вуховертки. Так, дослідники Сеульського національного університету використали геометрію крил сонечкових і склали за відповідними гранями крила для робота, який може розгорнути їх за 0,1 секунди та долати різні перешкоди, стрибаючи, повзаючи і ковзаючи. А швейцарські інженери звернулися до шкірястокрилих — вуховерток або «щипавок». Їхні крила розділені на безліч сегментів, на стику яких розташовується еластичний білок резілін, що діє як пружина. І на основі цього вчені надрукували кілька чотирьохсегментних конструкцій, які мають два стабільних положення і, змінюючи їх, можуть захоплювати предмети і утримувати їх без джерела енергії.
Магнітне поле, дай мені силу!
Щоб робот міг взаємодіяти в різних умовах, потрібно вирішити дві ключові проблеми — транспортування і живлення. З трансформуванням для складних умов середовища робогамі справляються. Однак робот повинен якимсь чином отримувати енергію, а використання важких батарей може звести нанівець зручність транспортування робогамі. Тому інженери вирішили звернутися до магнітного поля.
Так, дослідники з CSAIL створили з пластикового листа чотири можливі модифікації екзоскелету робота, який складається в задану форму при нагріванні протягом декількох секунд. Їхній робот може складатися у човник, планер і колесо для ходьби, плавання і швидкого пересування. У рух все це приводить маленький магнітний куб Primer, яким можна керувати дистанційно за допомогою магнітних полів. Він сам об’єднується із «аркушем», який складеться навколо нього, та навіть може поєднувати різні листки.
А китайські вчені запропонували напилювати на каркаси роботів спеціальний спрей з полівінілового спирту, глютену і магнітних залізних частинок, які дають змогу переміщувати робота під дією магнітного поля. Інженери розробили оригамі-павука, намагнітивши його рухомі модулі незалежно одна від одної, зігнувши їх потрібним чином. Щоб змінити форму робота, достатньо лише намочити його водою і прикласти магнітне поле 200 мілітесла, що займає 10 хвилин.
Зробити сальто та об’єднатися в супербота
З огляду на всі можливості робогамі, уявіть, що може зробити декілька таких роботів. Якщо ми можемо складати різні модулі для трансформування роботів, то ми можемо навчити їх взаємодіяти. Так, наприклад, оригамі-роботів, натхненних мурахами Odontomachus, які вміють стрибати вгору, у довжину та навіть робити сальто, навчили кооперуватися з іншими такими ж роботами та разом обходити перешкоди. Наприклад, їх можна рухати або разом через них перелазити. Або так само можна навчити модулі «знаходити» один одного і самостійно з’єднуватися у будь-яку бажану тривимірну конфігурацію, як це зробили з роботом Mori. Він має низькопрофільну трикутну конструкцію з ручним механізмом зачеплення, відкидним виконавчим механізмом на кожному краю та ланцюг з шести модулів, які можуть згортатися у різні форми. Так, наприклад, інженерам вдалося зробити песика на чотирьох «лапах», який зробив кілька кроків. У цій же роботі вчені з’ясували, що трикутник — ідеальна форма для модулів такого робота, яка забезпечує найбільшу кількість можливих форм. Механізм приводу може складати і розгортати підключені модулі, а також використовуватися для того, щоб один модуль рухався самостійно при відключенні.
Для виготовлення поліморфних роботів потрібно одночасно враховувати безліч конструктивних параметрів, для об’єднання яких зараз не існує стандартної моделі. Роботи-оригамі намагаються об’єднати багатокомпонентність та багатофункціональність, однак у них все залежить від матеріалу та механізму складання його модулів. Механічні характеристики робота змінюються залежно від складу, геометрії та механізмів з’єднання. Сьогодні роботи-оригамі складаються з багатьох шарів схем, двигунів, мікроконтролерів та сенсорів, все в одному корпусі, але їхні конструкції виготовляються або з жорстких матеріалів і безлічі з'єднань, схильних до поломок, або навпаки з гнучких і нездатних опиратися сильним навантаженням.
Перше фото: unsplash