Роботы с мягкими мышцами и жестким скелетом-оригами способны поднимать вес, в 1000 раз превышающий их собственный.
Мягкая робототехника считается многообещающей областью исследований уже в течение многих лет, но творческие порывы конструкторов сдерживались отсутствием одной важной характеристики: силы. Теперь ученые из Лаборатории искусственного интеллекта Массачусетского технологического института и Института Висса в Гарварде придумали, как сделать мягких роботов сильными, начав строить их с использованием жестких скелетов-оригами.
В статье, опубликованной в журнале PNAS, исследователи описывают также новый тип мягких искусственных мышц, которые можно использовать для создания таких роботов. Каждая мышца состоит из запечатанного мешка, заполненного воздухом или жидкостью, в ее основе — та самая складная структура-оригами.
Когда давление внутри мешка уменьшается с помощью электрического насоса, структура сжимается, как мышца руки или ноги. Такие искусственные мышцы намного сильнее человеческих и способны поднимать в 1000 раз больше собственного веса.
«У мягких роботов большой потенциал, но до сих пор одним из ограничений была полезная нагрузка, — говорит профессор Даниэла Рус, директор Лаборатории искусственного интеллекта МТИ и ведущий автор статьи. — Они очень надежны, очень легки, но не подходят для подъема тяжелых предметов. Новый подход позволяет нам создавать сильных мягких роботов».
У роботов с мускулами масса потенциальных применений, среди наиболее очевидных — их использование на складах и в логистических операциях, где они могли бы безопасно обрабатывать хрупкие и деликатные объекты, такие, как фрукты.
Они также хорошо подходят для поднятия и перемещения предметов нестандартной формы — а это та еще задача для робототехники, компания Amazon даже проводит ежегодные соревнования, пытаясь ее решить.
Одни исследователи используют присоски для захвата «неправильных» форм, другие применяют искусственный интеллект для выбора лучшего способа работы с такими объектами. Мягкие же роботы могут просто протянуть «руку» и захватить предмет — она сама деформируется как надо и крепко схватит цель. В этом отношении мягкие роботы похожи на человеческие руки, обхватывающие объект независимо от его формы. А новый скелет-оригами сделает мягких киборгов более полезными, дав им возможность оперировать тяжелыми объектами.
Однако у новых мышц есть и недостатки. Самый главный — их не так легко перепрограммировать, как традиционных роботов. Направление, в котором они движутся, полностью продиктовано их внутренней структурой, единожды заданное, оно не может быть изменено.
И хотя алгоритмы оригами позволяют программировать мышцы даже на такие сложные движения, как скручивание, что потенциально полезно на сборочных линиях, это означает, что искусственные мышцы хуже адаптируются к изменению задач в отличие от более традиционных промышленных роботов.
С другой стороны, поскольку способ движения мышц определяется их структурой, роботу не нужна сложная электронная система управления для того, чтобы сказать ему, что делать — достаточно будет просто его включить.
А поскольку мышцы могут изготавливаться из дешевых легких материалов, их можно будет быстро производить и легко ремонтировать. То есть мягкие роботы могут быть использованы для создания недорогих экзоскелетов, которые мы сможем надевать, чтобы увеличить свою силу.
Однако для Рус реальная магия заключается в том, насколько легко эти мышцы могут быть объединены в новые виды поднимающих, нажимающих и тянущих машин.
«Я начала работать с оригами много лет назад, потому что меня интересовало создание модульных роботов с программируемыми свойствами. Я хотела создать программируемый материал », — рассказывает она.
В итоге Даниэла использует оригами для программирования движения в самых разных своих творениях — от крошечных роботов-экзоскелетов до проглатываемых машин, которые разворачиваются в вашем желудке. «У оригами есть эта прекрасная универсальность», — отмечает Рус.
Благодаря силе и простоте сборки искусственные мышцы может ожидать большое будущее. «Мы демонстрировали комбинацию из четырех мышц, которые образуют «руку», поднимающую шину, — говорит исследовательница. — Если мы добавим соединение и еще одну руку, что довольно легко сделать, то мы сможем не просто поднять шину, а перенести ее и положить там, где нужно».
Теперь в планах команды — построение роботизированного хобота, «гибкого и сильного», как хобот настоящего слона. Рус обещает, что «он будет размером с человека».