На самом деле оригами — это источник вдохновения и инструмент для воплощения фантазий робототехников, которые стремятся создать универсального автономного робота, способного и летать, и полосу препятствий пройти, и в космос отправиться. Оригами позволяет создать из одного листа бумаги множество трехмерных форм, а робототехника — оснастить его искусственным интеллектом и сдвинуть с места. Робогами уже умеют делать сальто, летать как божьи коровки и даже объединяться в мегаробота. Поэтому, чем трансформеры и робоосьминоги убедили инженеров обратиться к японскому искусству складывания бумаги, почему НАСА выбирает робогами и как управлять таким роботом через магнитное поле — в материале Nauka.ua

Разве инженеры не смотрели «Трансформеров»?

Классические роботы хоть и не всегда похожи на людей или животных, однако в движение их приводят все же очень похожие конструкции: тросы-сухожилия внутри корпуса, соединения-суставы и силовые приводы-мышцы. Такое строение означает, что максимум их функционала заранее ограничен — роботов создают под конкретные задачи, а потому разработчики выбирают единые размер, конструкцию, тип передвижения и другие параметры, наиболее подходящие для определенных условий. Вариантов форм роботов очень мало, а следовательно они плохо умеют адаптироваться под среду: иногда нужно стать ниже, иногда меньше или больше, а иногда вообще сложиться. Пока роботы-трансформеры — это не про экшн между автоботами и десептиконами и вряд ли так когда-нибудь будет. На это есть свои причины: модули должны быть недорогими и взаимозаменяемыми, а затраты энергии на их движение — минимальными. Реальному Оптимусу Прайму нужен по крайней мере гидравлический двигатель, а это опять же затраты и сложности, поскольку всю гидравлическую конструкцию из насосов, клапанов и трубок еще нужно как-то трансформировать вместе с роботом.

Впрочем, твердотельные роботы-амфибии существуют, хоть их и нельзя полноценно называть трансформерами. Так, можно либо научить дроны кооперироваться с роботами и помогать им справляться с водой или сушей, либо объединить необходимые механизмы и научить роботов на ходу переобуваться, чтобы двигаться по бездорожью, или по-разному использовать свои колеса и винты, чтобы взбираться на стены или плавать. Однако, какими бы захватывающими такие роботы ни были, их главная проблема заключается в том, что обычно в воздухе им не понадобится, например, тяжелая гидрозащита, а научить их автономно помогать друг другу — трудно, поскольку необходимо обеспечить им способ соединения и алгоритм коммуникации. 

Смягчайся, меняй форму, адаптируйся

Еще один вариант для полиморфных роботов — мягкая робототехника. Такие роботы конструируются из полностью мягких материалов и обычно похожи на червей или осьминогов. Именно благодаря своей мягкости такие роботы могут применяться там, где требуется деликатное взаимодействие с окружающей средой, например в медицине, при работе с хрупкими предметами или в сложных условиях, которые требуют гибкости. Лучше всего таких роботов научили хватать предметы: они могут делать это щупальцами и клешнями, а некоторые своими «руками» научились даже вкручивать лампочки и узнавать предметы на ощупь. В движение их приводят гидравлические приводы, электроактивные полимеры, гидрогель, мягкие пневматические генераторы. Однако в то же время камнем преткновения мягких роботов является недостаточная жесткость конструкции. Она затрудняет их быстрое перемещение в пространстве из-за задержки в передаче воздействия на движущиеся элементы робота и ограничивает использование многих датчиков, которые все еще остаются жесткими.

НАСА выбирает оригами

Роботы-оригами — это складывающиеся конструкции из сверхтонких материалов, которые могут менять свою форму и лучше приспосабливаться к среде, чем другие роботы. Это множество динамических, основанных на геометрии складок, которые действуют вместе, и приводят машину в действие. Одновременно они имеют характеристики как жестких, так и мягких роботов, и могут выполнять больший объем задач с меньшим количеством элементов.

И поэтому космос — это идеальная среда для робогами, ведь космонавтам да и космическим аппаратам трудно позволить себе везти огромное количество техники. Однако все проблемы решит одна роботизированная платформа, как, например, оригами-радиатор для космических спутников, способный адаптироваться благодаря складкам, или один комплект модулей для робогами. Так, например, Лаборатория реактивного движения НАСА разработала и испытала прототип колесного робота PUFFER, который может быть как четырехколесным, так и двухколесным, и при этом может использовать колеса с различным протектором в зависимости от рельефа местности, по которой он передвигается. Он может проехать 250 метров по скользким поверхностям и каменистым склонам с наклоном в 45 градусов, выдержать падение с «марсианской трехметровой высоты» и проползти под препятствиями, просто меняя форму рамы. Его компактная конструкция позволяет создать несколько таких роботов. Поэтому разработчики предлагают доставлять их на станции или другие планеты, складывая на больший, «материнский» ровер, вокруг которого они потом будут исследовать местность, возвращаясь для подзарядки и передачи образцов для анализа. Также на них можно разместить еще одних складывающихся роботов, как, например, систему распыления сжатого газа POCCET (PUFFER-Oriented Compact Cleaning and Excavation Tool), которая может рыть ямки в реголите и очищать солнечные панели от пыли. 

Оригами — это не только журавлики, но и муравьи, божьи коровки и уховертки

Конечно, инженеры испытали и обычные формы оригами. Например, ученые из MIT испытали популярный оригами-паттерн «магический шар» для конструирования манипулятора, который легко меняет форму со сферической на цилиндрическую и может даже взять чашку за ручку. А инженерам из Мичиганского университета удалось создать универсальную платформу, которая может складываться и в манипулятор, и сгибаться в карту Миури (эту форму оригами, кстати, разработал японский астрофизик), и даже махать крыльями в форме журавля. Этот робот пригодится для создания медицинских устройств, микроботов и метаматериалов.

Однако в дикой природе многое умеет складываться: например, цветы и листья многих растений в почки, крылья насекомых в коконах. Такой широкий спектр сложных полиморфных структур вдохновил инженеров на создание робота наподобие крыльев жука-божьей коровки и уховертки. Так, исследователи Сеульского национального университета использовали геометрию крыльев кокцинеллидов и создали за соответствующими гранями крылья для робота, который может развернуть их за 0,1 секунды и преодолевать различные препятствия, прыгая, ползая и скользя. А швейцарские инженеры обратились к кожистокрылым — уховерткам. Их крылья разделены на множество сегментов, на стыке которых располагается эластичный белок резилин, который действует как пружина. И на основе этого ученые напечатали несколько четырехсегментных конструкций, которые имеют два стабильных положения и, изменяя их, могут захватывать предметы и удерживать их без источника энергии.

Магнитное поле, дай мне силу!

Чтобы робот мог взаимодействовать в разных условиях, необходимо решить две ключевые проблемы — транспортировку и питание. С трансформацией для сложных условий среды робогами справляются. Однако робот должен каким-то образом получать энергию, а использование тяжелых батарей может свести на нет удобство транспортировки робогами. Поэтому инженеры решили обратиться к магнитному полю.

Так, исследователи из CSAIL создали из пластикового листа четыре возможные модификации экзоскелета робота, который складывается в заданную форму при нагреве в течение нескольких секунд. Их робот может складываться в челнок, планер и колесо для ходьбы, плавания и быстрого передвижения. В движение все это приводит маленький магнитный куб Primer, которым можно управлять дистанционно с помощью магнитных полей. Он сам соединяется с «листом», который сложится вокруг него, и даже может объединять разные листья.

А китайские ученые предложили напылять на каркасы роботов специальный спрей из поливинилового спирта, глютена и магнитных железных частиц, которые позволяют перемещать робота под действием магнитного поля. Инженеры разработали оригами-паука, намагнитив его движущиеся модули независимо друг от друга, согнув их нужным образом. Чтобы изменить форму робота, достаточно лишь намочить его водой и приложить магнитное поле 200 миллитесла, что занимает 10 минут.

Сделать сальто и объединиться в супербота

Учитывая все возможности робогами, представьте, что может сделать несколько таких роботов. Если мы можем складывать различные модули для трансформации роботов, то мы можем научить их взаимодействовать. Так, например, оригами-роботов, вдохновленных муравьями Odontomachus, которые умеют прыгать вверх, в длину и даже делать сальто, научили кооперироваться с другими такими же роботами и вместе обходить препятствия. Например, их можно двигать или вместе через них перелезать. Или так же можно научить модули «находить» друг друга и самостоятельно объединяться в любую желаемую трехмерную конфигурацию, как это сделали с роботом Mori. Он имеет низкопрофильную треугольную конструкцию с ручным механизмом зацепления, откидным исполнительным механизмом на каждом краю и цепь из шести модулей, которые могут сворачиваться в разные формы. Так, например, инженерам удалось сделать песика на четырех «лапах», который сделал несколько шагов. В этой же работе ученые выяснили, что треугольник — идеальная форма для модулей такого робота, которая обеспечивает наибольшее количество возможных форм. Механизм привода может складывать и разворачивать подключенные модули, а также использоваться для того, чтобы один модуль двигался самостоятельно при отключении. 

Для изготовления полиморфных роботов необходимо одновременно учитывать множество конструктивных параметров, для объединения которых пока не существует стандартной модели. Роботы-оригами пытаются объединить многокомпонентность и многофункциональность, однако в них все зависит от материала и механизма сборки его модулей. Механические характеристики робота меняются в зависимости от состава, геометрии и механизмов соединения. Сегодня роботы-оригами состоят из многих слоев схем, двигателей, микроконтроллеров и сенсоров, все в одном корпусе, но их конструкции изготавливаются либо из жестких материалов и множества соединений, склонных к поломкам, либо наоборот — из гибких и неспособных сопротивляться сильным нагрузкам.

Nauka.ua

Первое фото: unsplash