Одной из сохраняющихся проблем в области робототехники является проектирование роботов, которые могут адаптироваться к непредсказуемым сложным условиям окружающей среды или работать в тесном контакте с людьми. Это особенно сложный вопрос во многих областях применения космической техники. Роботы, разработанные для эффективной работы на заводе на земле, как правило, трудно приспособиться к ограниченной невесомости орбитального аппарата. Такие роботы также должны быть спроектированы таким образом, чтобы они могли безопасно взаимодействовать с операторами, поскольку потенциальные издержки, связанные даже с небольшими травмами или повреждением оборудования, неприемлемы.
Для вдохновения можно обратиться к биологии. Для достижения адаптируемости и надежности многие существующие роботизированные архитектуры вдохновляются животными и стремятся воспроизвести необыкновенные модели движения и нейронные рефлексы собак. Эти подходы произвели впечатление при создании стабильной работы локомотива, но в настоящее время они требуют очень высокой выходной мощности и сложного управления с использованием сенсорной обратной связи. Они также потенциально опасны, поскольку работают с мощными приводами и относительно жесткими материалами. Альтернативным биологическим вдохновением является идея механической адаптации к окружающей среде с помощью мягкой механики. Этот подход гораздо менее распространен в робототехнике, поскольку считается, что такие высокодеформированные системы требуют еще более сложной обратной связи. Тем не менее, недавние исследования на животных показывают, что высокая степень соответствия может быть использована для создания самоадаптирующихся структур, снижающих требования к нейронному зондированию. Например, мягкотелые животные могут соответствовать сложному трехмерному субстрату, не зная его точной геометрии.
Учеными предлагаются три основных атрибута, которые делают мягкие роботы полезными для применения в космосе:
1. Безопасность в управлении. Мягкие материалы рассеивают силы и сводят к минимуму риск повреждения или травмирования в результате внезапных ударов. Полное преимущество этого свойства реализуется только при полностью мягких конструкциях: мягкие покрытия на жестких роботах могут повысить безопасность, но за счет увеличения веса, объема и пониженной точности перемещения.
2. Изменение размера и универсальность. Из-за стоимости полезная нагрузка ограничена как по весу, так и по объему. Мягкие роботы позволяют складывать устройства различными способами. Такая гибкость позволяет пользователям упаковывать и хранить эти устройства во многих местах. Возможность менять форму также делает этих роботов очень универсальными. Для доступа к узким отверстиям робот может быть длинным и тонким, но для прилипания к гладким поверхностям робот может расплющиться.
3. Гравитационная независимость (способность двигаться в любой ориентации). Поскольку плотность размещения мягких роботов значительно ниже, чем у традиционных машин, они могут быть сконструированы для работы в любой ориентации или в условиях низкой тяжести. Эта особенность была продемонстрирована в недавних исследованиях, где было показано, что мягкое тело животного может использовать ту же стратегию для ползания под водой, вверх ногами или вертикального подъема. Такая возможность была бы очевидным преимуществом для роботов, работающих в космосе.
Для обеспечения функциональности мягких роботов необходимо также рассмотреть три ключевых компонента проектирования и изготовления:
1. По-настоящему мягкое тело. Машины с высокой степенью деформации трудно контролировать традиционными методами. Сами по себе сложные свойства материала становятся важным конструктивным соображением.
2. Мягкие приводы. Разработка мягких приводов продолжает оставаться ключевым требованием при производстве автономных мягких машин. Поскольку в настоящее время активные материалы сильно различаются по своим свойствам, важно детально охарактеризовать их реакцию, чтобы определить выбор функций и окончательную интеграцию.
3. Фиксация крепежных приспособлений. Любой робот, движущийся в космическом пространстве, должен безопасно взаимодействовать с различными поверхностями и иметь возможность управлять навесным оборудованием. Исследования мягких животных дают некоторое полезное представление о том, как это можно сделать очень просто.
Далее в статье будет описано, как последние результаты исследований на мягком животном привели к лучшему пониманию преимуществ и проблем таких роботов.
Гусеничный локомотив в качестве примера из практики
За миллионы лет эволюции животные разработали необыкновенный ассортимент материалов для поддержания своего организма и перемещения в различных условиях окружающей среды. Изучая эти системы, ожидается узнать некоторые из успешных стратегий, которые дают животным надежный и адаптируемый локомотив. Одним из очевидных примеров является то, что нервная система развивалась параллельно со сложными материалами и тканями организма. Нервная система и физическое растение настолько тесно взаимосвязаны, что ни одна из них не может функционировать независимо друг от друга. Вполне возможно, что будущие роботы придется проектировать аналогичным образом с распределенной нейромеханической системой управления.
Одной из весьма заметных систем, которая была использована для изучения этих явлений, является гусеница Мандука Секста, которая является личиночной стадией крупной бабочки.
Некоторые из уникальных технических преимуществ этих животных обладают характеристиками, представляющими особый интерес для применения в космической деятельности:
- Во-первых, ползучие гусеницы имеют минимальную динамику или вообще не имеют никакой динамики (они квазистатические), тело в целом находится в напряжении, а движению каждого сегмента предшествует внутренняя растягивающая нагрузка. Отсутствие динамики уменьшает зависимость от точного временного контроля, а тело остается мягким и гибким. Наличие роботов, способных преодолевать очень узкие пространства и изгибаться вокруг сложного оборудования, хорошо подходит для применения в космосе.
- Во-вторых, гусеница не имеет круговых мышц, а ее гидростатический каркас не находится под жесткой регуляцией давления во время движения. Гусеницы с измененным объемом тела и давлением (путем инъекций физраствора или экстракции гемолимфы) могут двигаться эффективно. Это означает, что мягкие роботы, вдохновляемые гусеницами, не должны полагаться на нагнетание давления, что может быть проблематичным в применении в космосе.
Наконец, гусеничные ножки оснащены отказоустойчивым пассивным захватным механизмом. Эта система основана на двух рядах миниатюрных захватных крючков (крючков), встроенных в мягкую кутикулярную мембрану. Очевидно, что способность захвата и высвобождения без значительных затрат энергии может иметь огромное значение для робота, работающего в невесомой среде.