Движущиеся мягкие конструкции
Семейство мягких дюймовых роботов
Наличие всех трех компонентов для мягких роботов — это только первый шаг. Управление подвижной мягкой структурой — это еще одна сложная задача. Было создано семейство мягких роботов для изучения различных возможностей локомоции.
Настройка нагрузки SMA является важной частью планирования движения. В самом раннем дизайне смещение обеспечивалось за счет изгиба передних сегментов робота. Примером может служить InchBot-III с корпусом из силиконовой резины длиной 15 см, выполненным в форме полуцилиндра. В передней дюймовой походке робот тянет свое тело вперед, сгибая передний сегмент, в то время как задний сегмент захватывает его, чтобы закрепить. Такая координация требует, чтобы задний сегмент реагировал быстрее и в то же время с меньшей амплитудой. Это было достигнуто за счет предварительного нагружения заднего сегмента чуть больше и большей мощности. Скорость активации и диапазон перемещения могут быть встроены в сам робот.
InchBot-XI — это радиоуправляемый мягкий робот с двумя выдвижными накладками и двумя различными походками для перемещения через отверстие диаметром 1 см. Весь процесс обхода отверстий зависит от точного временного контроля кривизны тела. Введение выдвижных клейких прокладок позволило повысить допуск к отклонениям во времени движения. С помощью трех выдвижных адгезивных прокладок InchBot-VII распространяет дислокацию в передней части на 45 градусов вверх без заметных изменений кинематики. InchBot-VII инициирует цикл ползания, сначала отпуская заднюю адгезионную прокладку, а затем вытягивая задний сегмент вперед. После пересадки задней адгезионной прокладки срединная адгезионная прокладка освобождается, после чего происходит сильное сжатие переднего сегмента. Это переносит сжатие тела (прогиб) вперед. Как только к основанию прикрепляется промежуточная адгезионная прокладка, передняя освобождается и движется вперед. Эта простая "3-точечная" походка представляет собой фундаментальный механизм ползания по гусеницам. Тем не менее, походка InchBot-VII поднялась с плоской земли на 45 градусов при одинаковой кинематике (минимальное проскальзывание и почти одинаковая длина ступени).
Простой переход походки
Многие поступки могут быть вызваны одной и той же схемой походки, если слегка увеличить мощность и время походки. Для мягкого робота со свободной походкой увеличение мощности привода усиливает сгибание тела и уменьшает разницу фаз между задним и передним сгибанием. Дальнейшее временное сжатие рисунка походки улучшает координацию движений тела и приводит к быстрой, в пять раз более быстрой походке, чем 3-точечная походка с восхождением. Однако усиленное сгибание означает, что центр массы поднимается намного выше. Вероятность опрокидывания резко возрастает, так как адгезионные прокладки не всегда выдерживают боковые моменты опрокидывания. Драгоценные гусеницы, похоже, также сталкиваются с подобными компромиссами.
Гусеницы обычно быстро ползают, быстрее перемещая волны сокращения мышц. Однако в некоторых случаях они переходят от ползания к дюймированию, предпринимая тем самым максимально возможные шаги. Мягкий робот показывает, что при движении ползучем в сочетании с повышенной интенсивностью стимуляции может произойти непрерывный переход к дюймовой походке. Интересно, что дальнейшее увеличение мощности привода привело к опрокидыванию робота вперед. Такое явление подтолкнуло исследователей к рассмотрению возможности прокатки локомотива.
Удивительно, но гусеницы действительно демонстрируют такое поведение при прокатке в особых условиях. Группа маленьких гусениц, испугавшись, выполняет обратный баллистический валик. Было обнаружено несколько гусениц из одной семьи в Коста-Рике, которые ведут себя аналогичным образом. Используя это поведение побега в качестве вдохновляющей и кинематической модели, специалисты успешно воспроизвели баллистическую прокатку в нескольких версиях. На ровной поверхности этот режим движения увеличивает скорость в десять раз. Развитие этих мягких походок робота показало, что переходы между ними могут происходить в результате постепенных непрерывных изменений, например, путем масштабирования времени походки и движущей силы.
Подведем итоги
Сфера мягкой робототехники все еще относительно нова, и существует очень мало общепризнанных принципов проектирования для создания машин с высокой степенью деформации. Исследователи использовали метод биоинспирации, искали животное, которое достигает многих их целей в области локомотивации. Гусеница фактически является живым прототипом робота, способного восходить на сложные трехмерные объекты, не зависящие от силы тяжести.
Разработав три ключевых компонента гусеничного локомотива:
- мягкий корпус,
- мягкий привод,
- механизм крепления,
Они продемонстрировали возможность создания согласованного локомотива. Для применения в космосе в отсутствие гравитации, вероятно, не будут полезны ни колесные системы, ни ножные роботы. Для эффективного перемещения под микрогравитацией любой мобильный робот (не установленный на конструкции) должен летать или ползать.
- Мягкие роботы, которые могут взбираться или ползать, обеспечивают удобное средство для транспортировки оборудования или проведения обследований. Можно представить себе команду мягких роботов, перемещающихся между модулями космической станции для проведения проверок. Они также могут быть размещены снаружи для проверки солнечных батарей или антенных конструкций, чтобы определить, требуется ли выход в открытый космос.
- Как портативное устройство, мягкий робот может помещаться между структурами, когда астронавту нужна третья рука для некоторых специальных процедур. Когда роботы не используются, их легко складывать и хранить в нечетном месте, которое в противном случае считалось бы мертвым пространством. Возможность морфинга не только выгодна при хранении, но и обеспечивает альтернативный способ захвата.
- Пожалуй, самой примечательной технологией для этой роли является контролируемое заклинивание гранулированных материалов для получения универсального роботизированного захвата, который автоматически формируется в произвольные формы для мягкого, но прочного захвата деликатных или сложных объектов.
С точки зрения реализации, контроль над мягкими структурами может быть не так далек, как кажется. Любая сложная механическая система содержит информацию о ее структуре и материалах. Поэтому, как показали многие биологические системы, часть контроля можно переложить на структурную механику. Было показано несколько способов использования нелинейного поведения, присущего мягким структурам.
Это еще не значит, что данная роботизированная платформа на базе SMA в настоящее время является развертываемым космическим роботом. Из-за больших колебаний температуры в космосе приводы SMA будут ограничиваться функциями внутри помещений космического корабля/космической станции, контролируемых климатом. Однако эта работа исследователей помогла найти новые подходы к контролю структур мягких материалов и высветила некоторые ключевые факторы, которые следует учитывать при проектировании и развертывании мягких роботов для применения в космосе.