Исследователи разработали мягкого робота, вдохновлённого хоботом слона, способного выполнять деликатные задачи, например, сбор фруктов, при этом обладающего достаточной силой для помощи в подъёме пациентов.
- Исследователи разработали мягкого робота, вдохновлённого хоботом слона, способного выполнять деликатные задачи, например, сбор фруктов, при этом обладающего достаточной силой для помощи в подъёме пациентов.
Инновации через дизайн природы
Идея этого замечательного робота возникла у Лучии Беккай, эксперта по мягкой робототехнике из Итальянского института технологий в Генуе. Смотря документальный фильм о слонах, она была поражена исключительной универсальностью их хоботов, которые могут выполнять разные задачи — от аккуратного срывания листа до подъёма тяжёлых бревен. Это навело на мысль: можно ли в робототехнике воспроизвести функциональность и анатомию хобота слона?
PROBOSCIS: Исследовательская Инициатива
Инициатива под названием PROBOSCIS — это пятилетний проект, финансируемый Европейским Союзом, объединяющий биологов, инженеров и материаловедов. Цель — создать универсальную роботизированную руку, которая может адаптироваться к различным формам и текстурам без серьёзных изменений аппаратного обеспечения. В отличие от текущих роботизированных систем, которые обычно состоят из жёстких манипуляторов с отдельными захватами, задача — достичь более плавного управления телом целиком, имитируя возможности хобота.
Понимание механики хобота слона
Хоботы слонов относятся к классу мышечных гидростатов, похожих на щупальца осьминогов и человеческий язык. Они состоят из более чем 100 000 мышц и не имеют костной структуры, что позволяет им обладать невероятной подвижностью. Эта гибкость даёт слонам возможность выполнять задачи с выдающейся силой и точностью, например, переносить грузы почти в 300 килограммов. Кроме того, у африканских слонов на кончике хобота есть два выступа, напоминающих пальцы, что повышает их ловкость.
Передовые методы анализа
Для изучения функциональности хобота слона профессор Мишель Милинкович из Женевского университета возглавил команду, использовавшую приём кинооператоров. Исследователи применили отражающие маркеры для отслеживания движений слонов в заповеднике Южной Африки во время взаимодействия с разными объектами. Камеры высокой частоты фиксировали их эффективные приёмы манипуляции предметами разных форм и размеров.
Открытие новых знаний
Команда Милинковича обнаружила, что слоны используют ограниченный набор движений для достижения целей, комбинируя действия, такие как укорачивание, удлинение и изгибание различных частей хобота. Особенно примечательным было наблюдение за тем, как слоны создают временные суставы при вытягивании за голову, что позволяет им быстро и эффективно захватывать объекты.
Перевод биологии в робототехнику
Чтобы перенести эти знания в сферу робототехники, команда Беккай сосредоточилась на кончике хобота, который играет ключевую роль в деликатных задачах. Они использовали 3D-печать для интеграции сенсорных возможностей и искусственных мышц в единую цельную структуру. Разработав пневматические приводы, которые могут наполняться и сдуваться, команда создала робота, способного удлиняться, сжиматься и изгибаться, имитируя движения хобота.
Непрерывное движение и сенсорная обратная связь
Этот мягкий робот построен из сетчатой решётки, позволяющей ему деформироваться в нескольких направлениях. Интеграция оптических датчиков обеспечивает обратную связь в реальном времени по прикосновениям и изгибу, способствуя плавности движений. Беккай подчеркнула важность использования одного материала по всему дизайну, что устраняет механические интерфейсы, часто затрудняющие непрерывность движений.
К созданию универсального захвата
Прототип демонстрирует значительный прогресс на пути к созданию универсального захвата, который легко справляется как с деликатными, так и с тяжёлыми предметами. Решая задачи дизайна, характерные для традиционных роботизированных рук, исследователи прокладывают путь для более функциональных и универсальных мягких роботов.
Понимание механизмов управления
Одним из ключевых открытий при изучении хобота слона является его механизм управления. Несмотря на тысячи мышц, слоны не контролируют каждую мышцу отдельно. Вместо этого их мозг координирует небольшое число мышечных синергий, позволяя структуре хобота самостоятельно справляться с остальными функциями. Это понимание может привести к созданию будущих мягких роботов, ориентированных на функциональные синергии, а не на отдельные приводы, что потенциально упростит их управление и снизит энергопотребление.
Возможные применения в различных сферах
Беккай видит широкий спектр применений для этих мягких роботов, от сбора мягких фруктов — серьёзной задачи для современной робототехники — до помощи в домашнем хозяйстве, например, сортировки белья и обращения с хрупкой посудой. Помимо бытовых применений, такие роботы могут играть важную роль в экологических усилиях, например, в сортировке отходов или работе в деликатных экосистемах с минимальным воздействием.
Преобразование здравоохранения с помощью робототехники
Здравоохранение остаётся основным направлением работы Беккай, которая мечтает создать роботизированную систему, помогающую инвалидам и пожилым людям. Робот, способный поднять человека или доставить ему еду, при этом достаточно деликатный для обращения с повседневными предметами, может значительно повысить уровень независимости многих людей. В отличие от традиционных роботов, мягкий дизайн обеспечит ощущение доступности, а не устрашения.
Видение будущей робототехники
В конечном итоге амбиции Беккай выходят за рамки простого улучшения технологий захвата роботов. Её цель — создать робота, который будет естественным в своей среде — сильным, когда это необходимо, и деликатным, когда требуется. Поскольку исследовательский проект планируется завершить в апреле 2025 года, мягкая роботизированная рука служит многообещающим примером того, как природа может вдохновлять технологический прогресс в робототехнике.
