Китайские инженеры изучают строение стоп северного оленя, чтобы повторить их механику в биомиметической механической стопе
«Природоподобие» — термин, который часто используют специалисты для описания векторов развития новейших инженерных технологий. Источником вдохновения для разработчиков сложнейших механизмов могут послужить самые привычные объекты природной среды. В свежей статье группы китайских учёных рассказывается о том, как изучение строения стоп северного оленя может быть применено в конструировании роботизированной механической стопы для использования на Земле и в космосе. Материал «Энергосберегающий, несущий и крепежный механизм на льду и мерзлом грунте биомиметической механической стопы» опубликован на ресурсе PLoS One.
Исследования северных животных как объекта бионики, прикладной науки о применении в технике принципов организации, свойств, функций и структур живой природы, — достаточно новое направление. Его развитие связано с ростом применения роботов в современном технологичном мире. Одной из инженерных задач здесь является обеспечение эффективного передвижения механизмов на сложных грунтах и поверхностях. К подобным грунтам относятся замёрзшие породы, которые встречаются не только на Земле, но и на космических объектах, таких, как Луна или астероиды.
В начале 2024 года группа учёных из Китая опубликовала работу, в которой была изучена кинематика оленьих ног (были отобраны семь восьмилетних самцов с племенной фермы в китайском городе Гэньхэ) и предложена конструкция механического устройства, основанного на принципах природоподобия — биомиметической механической стопы.
Механические ноги, сконструированные с учетом принципов строения ног копытного животного, обладают отличной приспособляемостью и двигательными характеристиками, уверены авторы. В соответствии с законами естественного отбора, структура ног животных развилась, наилучшим образом приспособившись к окружающей среде. Северный олень — типичное полярное кочующее животное, и его копыта имеют превосходные характеристики, позволяющие оленям совершать длительные миграции в сложных условиях. В частности, их подошвенный мех играет противоскользящую роль и может увеличивать площадь контакта с землей при ходьбе по мёрзлому грунту. Но не только это.
Структура новой кинематической механической стопы была спроектирована с учетом траекторий движения суставов, размеров копыт и пропорциональных соотношений их составных частей. Основываясь на характеристиках накопления и высвобождения энергии копытными суставами, использование эластичных компонентов в суставах способствует энергосбережению бионической стопы.
Проверка характеристик биомиметической механической ноги показала, что она адаптивна к трем типам грунта: мёрзлой земле, льду и лунному грунту, содержащему водяной лед. Хорошая несущая способность механических ног на мёрзлом грунте позволяет увеличивать тяговое усилие, что дает возможность использовать более тяжелое навесное оборудование.
Чем хороши биомиметические роботы с ногами?
Роботы с ногами обладают высокой мобильностью и адаптивностью к окружающей среде на «неудобных» поверхностях, потому что контактируют с поверхностью точечно и имеют гибкие структуры конечностей. Поэтому их можно применять при разведочных и транспортировочных работах в условиях высокого риска для человека — там, где колесные роботы будут неэффективны.
Ранее разные группы ученых провели множество работ по изучению динамики, потребления энергии и скорости движения четвероногих животных. В результате, например, была разработана легкая бионическая механическая нога, основанная на механике задней конечности гепарда. Эта механическая нога обладает невысокой массой, сохраняя при этом жесткость и прочность. Конструкция позволяет избегать возникновения больших изгибающих моментов и способствует эффективному использованию энергии при высокоскоростной работе. Благодаря точным алгоритмам управления робот с ногами вполне способен ходить по мёрзлой почве. Тем не менее, при ходьбе по снегу или льду робот всё равно скользит. Плохая устойчивость и относительно простое строение ног роботов заставляют заниматься совершенствованием бионики механической стопы.
Где можно использовать таких роботов?
Мерзлый грунт распространен по всему Земному шару. Общая площадь вечной мерзлоты составляет 25% от площади Земли. Водяной лед обнаружен на Луне — мировые аэрокосмические державы рассматривают его как стратегический ресурс и разрабатывают планы по отбору проб и исследованию их. Европейское космическое агентство предложило план строительства лунной деревни. Китай планировал провести несколько исследований и отбора проб лунного водяного льда до 2030 года.
Лунный водяной лед в основном существует в постоянно затененных областях (кратерах), через которые колесные роботы могут проходить с трудом. Ножные роботы здесь имеют хорошие перспективы применения благодаря отличным двигательным характеристикам и адаптивности к окружающей среде.
Новое исследование китайских ученых дает глубокое понимание кинематических и механических характеристик бионической ноги на мерзлом грунте, льду и имитаторе водно-ледяного лунного грунта. Тем не менее, есть определённые ограничения, которые исследователи предлагают учитывать. Эксперименты проводились в контролируемой лабораторной среде, которая может не полностью имитировать непредсказуемые условия, наблюдаемые в реальных ситуациях. Ведь разнообразие местностей, в которых роботизированным системам придется работать в практических сценариях, весьма обширно.
***
Андрей Иванов, специально для GoArctic