Мощь спринта гепарда, гибкость змеи и точность человеческой хватки — все это результат бесшовного взаимодействия мягких и жестких тканей. Мышцы, сухожилия, связки и кости работают совместно, обеспечивая энергию и точность для выполнения сложных движений, которые мы наблюдаем в животном мире.
Воссоздание такого биологического разнообразия в робототехнике — сложнейшая задача. На сегодняшний день один из методов решения — 3D-печать с использованием различных материалов. Однако этот подход часто сталкивается с проблемой: разнообразие биологических тканей можно имитировать, но контролировать ключевые свойства, такие как жесткость и несущая способность, остается проблемой.
Команда под руководством Джози Хьюз из Лаборатории вычислительного проектирования и изготовления роботов (CREATE) в Инженерной школе EPFL разработала инновационную решетчатую структуру, которая сочетает в себе биологическую гибкость и роботизированную точность. Эта структура состоит из отдельных блоков (ячеек), изготовленных из пенопласта, которые можно программировать на различные формы и положения. В результате, они могут образовывать более миллиона конфигураций, а при объединении — создавать бесконечные геометрические вариации.
«Используя нашу технику программируемой решетки, мы создали роботизированного слона с мягким хоботом, который может скручиваться, сгибаться и вращаться, а также более жесткими тазобедренными, коленными и ступневыми суставами», — объясняет научный сотрудник Цинхуа Гуань. «Наш метод представляет собой масштабируемое решение для проектирования легких и адаптируемых роботов».
Два измерения программирования: бесконечные вариации
Программируемая решетка состоит из двух типов ячеек с различной геометрией: кубической (BCC) и X-куба. При использовании этих ячеек в процессе 3D-печати роботизированной ткани получается решетка с уникальными жесткостью, деформацией и несущими свойствами. Метод CREATE также позволяет комбинировать гибридные ячейки, промежуточные между BCC и X-кубом, что дает возможность непрерывно смешивать профили жесткости и раскрывает бесконечный спектр конфигураций.
«Этот подход идеально подходит для воспроизведения структуры таких мышечных органов, как хобот слона», — поясняет аспирант Бенхуэй Дай.
Кроме того, ученые могут программировать положение каждой ячейки в решетке. Это второе измерение программирования позволяет поворачивать и перемещать ячейки вдоль оси, накладывать их друг на друга и создавать новые комбинации. Например, решетчатый куб с четырьмя наложенными ячейками может обеспечить около 4 миллионов возможных конфигураций, а с пятью ячейками — более 75 миллионов вариантов.
Водонепроницаемость и интеграция с датчиками
Модель слона, созданная командой, использует это двойное программирование для изготовления различных тканей с уникальными диапазонами движения, такими как скольжение (в стопе), сгибающийся одноосный сустав (в колене) и двусторонний биаксиальный сустав (в пальцах).
Особое внимание уделено созданию мускулистого хобота слона, где отдельные секции решетки выполняют скручивания, изгибы и вращения, при этом сохраняя плавные переходы между ними.
Хьюз подчеркивает, что технология их решетки из пенопласта имеет огромное будущее в робототехнике. Она не только позволяет создавать легких роботов с высоким отношением прочности к весу, но и идеально подходит для работы в жидкостях. Более того, открытая структура пенопласта может быть использована для интеграции датчиков и других материалов, что дает новые возможности для роботов в самых разных сферах.
Источник: https://techxplore.com/news/2025-07-elephant-robot-bioinspired-3d-technology.html
Больше интересного – на медиапортале https://www.cta.ru/