18.10.2024
Полимеры расширяют возможности робототехники - 2
Несмотря на то, что за последние несколько десятилетий наши представления о перспективах развития робототехники не раз претерпевали существенные изменения, в настоящее время можно с уверенностью сказать, что будущее — за «мягкими» роботами. Для того чтобы лучше понять данную концепцию, мы должны представить себе устройство, лишенное жестких конструктивных элементов, все перемещения которого осуществляются за счет изменения его формы. Эти характеристики роботам могут обеспечить только современные полимеры.
Окончание. Начало в №7, 2024.
Мягкий захват
В отличие от классического подхода, когда конструктор, для того чтобы спроектировать устойчивую модель, должен в первую очередь исходить из соотношения прочности и веса используемых материалов (представьте себе, какой урон может нанести нестабильная «рука» робота-хирурга), «мягкая» робототехника базируется на контролируемой деформации изделия, благодаря которой оно и получает способность выполнить то или иное задание, заложенное в его программу. В настоящее время в ученой среде идут разговоры о смене парадигмы, и немало исследователей уже сделали свой выбор в пользу нового многообещающего направления, развитие которого ускорилось благодаря более глубокому пониманию свойств гибких полимеров, непрерывно растущим вычислительным мощностям компьютеров, позволяющим точнее моделировать перемещения робота, а также расширению возможностей 3D-принтеров в области печати деталей из эластичных материалов.
На промышленных предприятиях некоторые модели роботизированных рук уже сейчас оснащаются деформируемыми захватами на замену обычным клешням. Такая рука, упрощенно говоря, состоит из особым образом «упакованных» пластиковых гранул. Когда она помещается на объект, который требуется переставить, гибкость гранул позволяет захвату адаптироваться к его форме. Остается только создать воздушную прослойку между «рукой» и объектом так, чтобы робот мог манипулировать им без риска нанести повреждения.
Еще одним примером внедрения новой концепции стали гибкие захваты, изготавливаемые из полимеров, разрешенных для контакта с продуктами питания. Они способны перемещать любые кулинарные изделия, в том числе такие легкоповреждаемые, как пирожные.
Эластомерные роботы
Еще одно направление робототехники, связанное с созданием экзоскелетов, также ожидает большое будущее. Главным препятствием на пути к нему пока что является размер изделий и в меньшей степени их вес, который все еще остается довольно значительным, невзирая на широкое применение композиционных материалов. И эту проблему тоже можно преодолеть за счет перехода к мягким конструкциям. Ряд исследователей, в том числе сотрудники Университета Лозанны (Швейцария), активно занимаются разработкой экзоскелета в форме носка. Он приводится в движение за счет закачки воздуха под давлением. По сути данное устройство состоит из последовательности герметичных эластомерных пакетов, подключенных к компрессору и заключенных в общую силиконовую оболочку. Единственная сложность состоит в том, что оба используемых материала отличаются особенно высоким коэффициентом растяжения. Для того чтобы сохранить контроль над перемещением робота, их требуется каким-то образом ограничить. Этого удалось добиться, обернув их нерастяжимым арамидным волокном.
Концепция робота, перемещающегося за счет подачи сжатого воздуха, в настоящее время пользуется большой популярностью. Исследователям, работающим в Университете Темпл (Филадельфия, США), удалось создать маленькую «гусеницу», способную перемещаться по горизонтальной или вертикальной поверхности любого типа, в том числе по воде и по суше. Как и настоящая личинка бабочки, она сгибается и разгибается, что позволяет ей перемещаться со скоростью 3 мм в минуту. Казалось бы, результат не сильно впечатляет, однако на самом деле то, чего ученым уже удалось добиться, является огромным достижением. Изделие состоит из двух слоев силикона, которые были скреплены между собой таким образом, что в итоге получилась маленькая надувная трубка. При закачивании воздуха зад-няя часть гусеницы выгибается вперед, а затем сбрасывает давление, благодаря чему перемещается передняя. Создатели рассчитывают на то, что когда-нибудь их разработка станет чемпионом по подводным исследованиям с учетом того, что это маленькое «насекомое» способно нести груз, в 5 раз превышающий его собственный вес.
А нельзя ли сделать так, чтобы подобная штука двигалась быстрее? Ученые из университета, расположенного в Северной Каролине (США), доказали, что можно. Вдохновившись зрелищем того, как выгибается спина гепарда при беге, они создали маленького робота, который используемым принципом перемещения более или менее напоминает творение их коллег из Университета Темпл — гусеницу, которая сгибается, чтобы продвинуться вперед. Новая разработка, получившая название LEAP (слово переводится как «скачок» или «прыжок» и при этом является аббревиатурой от Leveraging Elastic instabilities for Amplified Performance — «Применение эластичной нестабильности для улучшения функциональности»), основана на эффективном использовании эластичности гибкого полимера, из которого она состоит, для улучшения ее собственных функциональных характеристик.
Этот «мягкий» робот имитирует принцип работы позвоночника гепарда, имеющего два стабильных состояния, что позволяет животному сохранять устойчивое положение при беге вне зависимости от того, вытянуты его ноги или согнуты в тот или иной отдельный момент времени. Эти большие кошки способны двигаться так быстро в том числе благодаря указанной особенности их строения. Новому роботу по силам за секунду преодолеть расстояние, в 2,7 раза превышающее его собственную длину. Для сравнения достаточно вспомнить тот факт, что ранее самый быстрый в мире «мягкий» робот мог за такое же время переместиться всего лишь на 0,8 от значения собственной длины. Таким образом, LEAP оказался более чем в 3 раза быстрее.
В плане практического использования этой инновационной технологии обсуждается возможность создания роботизированной руки, способной захватывать объекты одновременно и с высокой скоростью, и с максимальной осторожностью.
Восхищаясь осминогами
Осьминог, наделенный восемью щупальцами, по праву считается одним из самых удивительных животных, так как способен и вызвать восхищение, и внушить страх. И уже только поэтому стоит присмотреться к нему немного повнимательней для того, чтобы попытаться воспроизвести его поразительные способности. Некоторое время назад ученые из Гарвардского университета (США) представили Octobot — автономного робота, спроектированного в полном соответствии с «мягкой» концепцией и изготовленного из вязкого силикона. От своих «собратьев», создаваемых другими научными коллективами, этот робот отличается возможностью перемещаться самостоятельно без аккумулятора или шланга, предназначенного для подачи сжатого воздуха от внешнего устройства. Секрет в данном случае заключается в химической реакции, в которую вступают перекись водорода и платина, размещенные в небольших контейнерах. В тот момент, когда эти два вещества вступают в контакт между собой, образуется газ, который методом диффузии проникает в маленькие конечности «осьминога», приводя робота в движение. Разработка пока остается на довольно раннем этапе. Ученым требуется повысить контролируемость химической реакции для более уверенного управления своим «питомцем».
По словам разработчиков, в будущем они планируют оснастить Октобот специальными датчиками, которые помогут устройству взаимодействовать с окружающими предметами. Предполагается, что этот маленький робот будет главным образом использоваться как основа для более сложных проектов, которые получат практическое применение, в том числе в области изучения Мирового океана, а также при поисках жертв морских катастроф в труднодоступных местах.
Другие исследователи продолжают изучать осьминогов, уделяя основное внимание их щупальцам. Стоит отметить тот факт, что две трети нейронов этого головоногого моллюска «работают» на его конечности. Вот почему каждое щупальце может действовать независимо и с изрядной ловкостью. Специалисты из Бэйханского университета (Китай) в сотрудничестве с коллегами из Гарвардской школы инженерных и прикладных наук имени Джона А. Полсона (США) преуспели в создании роботизированной руки, имитирующей щупальце осьминога. Гибкая, оснащенная присосками конструкция способна двигаться, захватывать и осторожно перемещать самые разные предметы. В первый раз ученым удалось добиться такого точного воспроизведения характеристик конечностей удивительного морского обитателя. Эта искусственная рука также приводится в действие за счет потока воздуха, вдуваемого внутрь устройства. Остается загадкой, какой тип полимера использовался для ее изготовления — эластомер или же силикон, поскольку данная информация до сих пор является конфиденциальной. В любом случае этот маленький робот сумеет привлечь к себе интерес представителей промышленности, стоит ему только появиться на рынке.
Цвет по выбору
Несколько лет назад исследователи из Университета Тампере (Финляндия) сумели изобрести полимерный гель, который, попадая на свет, принимает жидкую форму. Затем они успешно справились с разработкой нового жидкокристаллического полимера, способного перемещаться и принимать цвет своего окружения. Для этого ученые использовали пластик, наполненный жидкими кристаллами, которые реагируют на воздействие света изменением своего положения, приводя тем самым в движение робота, изготовленного из данного материала. А недавно разработчики «научили» жидкокристаллический полимер распознавать определенные цвета. И искусственный интеллект здесь абсолютно ни при чем — все дело в простейшей реакции жидких кристаллов на длину волны, связанную с тем или иным цветом. Практическое применение данной разработки может представлять интерес для сельского хозяйства и пищевой промышленности, поскольку теперь уже нетрудно представить себе роботизированную руку, приспособленную для аккуратного захвата ягод или фруктов — клубники или апельсинов.
«Мягкие» роботы с большой долей вероятности навсегда вытеснят с рынка старые добрые «консервные банки» вроде R2D2. Новый раздел робототехники невозможно отделить от материаловедения, при этом оба данных направления демонстрируют высокие темпы развития. Конечно, многие экспериментальные разработки пока еще далеки от завершения, и тем не менее все большее число проектов доходит до стадии практического применения полученных результатов. К примеру, в сфере здравоохранения «мягкие» роботы, возможно, уже в ближайшие годы смогут произвести революцию в плане изменения подходов к лечению.
Посмотреть в журнале
Окончание. Начало в №7, 2024.
Мягкий захват
В отличие от классического подхода, когда конструктор, для того чтобы спроектировать устойчивую модель, должен в первую очередь исходить из соотношения прочности и веса используемых материалов (представьте себе, какой урон может нанести нестабильная «рука» робота-хирурга), «мягкая» робототехника базируется на контролируемой деформации изделия, благодаря которой оно и получает способность выполнить то или иное задание, заложенное в его программу. В настоящее время в ученой среде идут разговоры о смене парадигмы, и немало исследователей уже сделали свой выбор в пользу нового многообещающего направления, развитие которого ускорилось благодаря более глубокому пониманию свойств гибких полимеров, непрерывно растущим вычислительным мощностям компьютеров, позволяющим точнее моделировать перемещения робота, а также расширению возможностей 3D-принтеров в области печати деталей из эластичных материалов.
На промышленных предприятиях некоторые модели роботизированных рук уже сейчас оснащаются деформируемыми захватами на замену обычным клешням. Такая рука, упрощенно говоря, состоит из особым образом «упакованных» пластиковых гранул. Когда она помещается на объект, который требуется переставить, гибкость гранул позволяет захвату адаптироваться к его форме. Остается только создать воздушную прослойку между «рукой» и объектом так, чтобы робот мог манипулировать им без риска нанести повреждения.
Еще одним примером внедрения новой концепции стали гибкие захваты, изготавливаемые из полимеров, разрешенных для контакта с продуктами питания. Они способны перемещать любые кулинарные изделия, в том числе такие легкоповреждаемые, как пирожные.
Эластомерные роботы
Еще одно направление робототехники, связанное с созданием экзоскелетов, также ожидает большое будущее. Главным препятствием на пути к нему пока что является размер изделий и в меньшей степени их вес, который все еще остается довольно значительным, невзирая на широкое применение композиционных материалов. И эту проблему тоже можно преодолеть за счет перехода к мягким конструкциям. Ряд исследователей, в том числе сотрудники Университета Лозанны (Швейцария), активно занимаются разработкой экзоскелета в форме носка. Он приводится в движение за счет закачки воздуха под давлением. По сути данное устройство состоит из последовательности герметичных эластомерных пакетов, подключенных к компрессору и заключенных в общую силиконовую оболочку. Единственная сложность состоит в том, что оба используемых материала отличаются особенно высоким коэффициентом растяжения. Для того чтобы сохранить контроль над перемещением робота, их требуется каким-то образом ограничить. Этого удалось добиться, обернув их нерастяжимым арамидным волокном.
Концепция робота, перемещающегося за счет подачи сжатого воздуха, в настоящее время пользуется большой популярностью. Исследователям, работающим в Университете Темпл (Филадельфия, США), удалось создать маленькую «гусеницу», способную перемещаться по горизонтальной или вертикальной поверхности любого типа, в том числе по воде и по суше. Как и настоящая личинка бабочки, она сгибается и разгибается, что позволяет ей перемещаться со скоростью 3 мм в минуту. Казалось бы, результат не сильно впечатляет, однако на самом деле то, чего ученым уже удалось добиться, является огромным достижением. Изделие состоит из двух слоев силикона, которые были скреплены между собой таким образом, что в итоге получилась маленькая надувная трубка. При закачивании воздуха зад-няя часть гусеницы выгибается вперед, а затем сбрасывает давление, благодаря чему перемещается передняя. Создатели рассчитывают на то, что когда-нибудь их разработка станет чемпионом по подводным исследованиям с учетом того, что это маленькое «насекомое» способно нести груз, в 5 раз превышающий его собственный вес.
А нельзя ли сделать так, чтобы подобная штука двигалась быстрее? Ученые из университета, расположенного в Северной Каролине (США), доказали, что можно. Вдохновившись зрелищем того, как выгибается спина гепарда при беге, они создали маленького робота, который используемым принципом перемещения более или менее напоминает творение их коллег из Университета Темпл — гусеницу, которая сгибается, чтобы продвинуться вперед. Новая разработка, получившая название LEAP (слово переводится как «скачок» или «прыжок» и при этом является аббревиатурой от Leveraging Elastic instabilities for Amplified Performance — «Применение эластичной нестабильности для улучшения функциональности»), основана на эффективном использовании эластичности гибкого полимера, из которого она состоит, для улучшения ее собственных функциональных характеристик.
Этот «мягкий» робот имитирует принцип работы позвоночника гепарда, имеющего два стабильных состояния, что позволяет животному сохранять устойчивое положение при беге вне зависимости от того, вытянуты его ноги или согнуты в тот или иной отдельный момент времени. Эти большие кошки способны двигаться так быстро в том числе благодаря указанной особенности их строения. Новому роботу по силам за секунду преодолеть расстояние, в 2,7 раза превышающее его собственную длину. Для сравнения достаточно вспомнить тот факт, что ранее самый быстрый в мире «мягкий» робот мог за такое же время переместиться всего лишь на 0,8 от значения собственной длины. Таким образом, LEAP оказался более чем в 3 раза быстрее.
В плане практического использования этой инновационной технологии обсуждается возможность создания роботизированной руки, способной захватывать объекты одновременно и с высокой скоростью, и с максимальной осторожностью.
Восхищаясь осминогами
Осьминог, наделенный восемью щупальцами, по праву считается одним из самых удивительных животных, так как способен и вызвать восхищение, и внушить страх. И уже только поэтому стоит присмотреться к нему немного повнимательней для того, чтобы попытаться воспроизвести его поразительные способности. Некоторое время назад ученые из Гарвардского университета (США) представили Octobot — автономного робота, спроектированного в полном соответствии с «мягкой» концепцией и изготовленного из вязкого силикона. От своих «собратьев», создаваемых другими научными коллективами, этот робот отличается возможностью перемещаться самостоятельно без аккумулятора или шланга, предназначенного для подачи сжатого воздуха от внешнего устройства. Секрет в данном случае заключается в химической реакции, в которую вступают перекись водорода и платина, размещенные в небольших контейнерах. В тот момент, когда эти два вещества вступают в контакт между собой, образуется газ, который методом диффузии проникает в маленькие конечности «осьминога», приводя робота в движение. Разработка пока остается на довольно раннем этапе. Ученым требуется повысить контролируемость химической реакции для более уверенного управления своим «питомцем».
По словам разработчиков, в будущем они планируют оснастить Октобот специальными датчиками, которые помогут устройству взаимодействовать с окружающими предметами. Предполагается, что этот маленький робот будет главным образом использоваться как основа для более сложных проектов, которые получат практическое применение, в том числе в области изучения Мирового океана, а также при поисках жертв морских катастроф в труднодоступных местах.
Другие исследователи продолжают изучать осьминогов, уделяя основное внимание их щупальцам. Стоит отметить тот факт, что две трети нейронов этого головоногого моллюска «работают» на его конечности. Вот почему каждое щупальце может действовать независимо и с изрядной ловкостью. Специалисты из Бэйханского университета (Китай) в сотрудничестве с коллегами из Гарвардской школы инженерных и прикладных наук имени Джона А. Полсона (США) преуспели в создании роботизированной руки, имитирующей щупальце осьминога. Гибкая, оснащенная присосками конструкция способна двигаться, захватывать и осторожно перемещать самые разные предметы. В первый раз ученым удалось добиться такого точного воспроизведения характеристик конечностей удивительного морского обитателя. Эта искусственная рука также приводится в действие за счет потока воздуха, вдуваемого внутрь устройства. Остается загадкой, какой тип полимера использовался для ее изготовления — эластомер или же силикон, поскольку данная информация до сих пор является конфиденциальной. В любом случае этот маленький робот сумеет привлечь к себе интерес представителей промышленности, стоит ему только появиться на рынке.
Цвет по выбору
Несколько лет назад исследователи из Университета Тампере (Финляндия) сумели изобрести полимерный гель, который, попадая на свет, принимает жидкую форму. Затем они успешно справились с разработкой нового жидкокристаллического полимера, способного перемещаться и принимать цвет своего окружения. Для этого ученые использовали пластик, наполненный жидкими кристаллами, которые реагируют на воздействие света изменением своего положения, приводя тем самым в движение робота, изготовленного из данного материала. А недавно разработчики «научили» жидкокристаллический полимер распознавать определенные цвета. И искусственный интеллект здесь абсолютно ни при чем — все дело в простейшей реакции жидких кристаллов на длину волны, связанную с тем или иным цветом. Практическое применение данной разработки может представлять интерес для сельского хозяйства и пищевой промышленности, поскольку теперь уже нетрудно представить себе роботизированную руку, приспособленную для аккуратного захвата ягод или фруктов — клубники или апельсинов.
«Мягкие» роботы с большой долей вероятности навсегда вытеснят с рынка старые добрые «консервные банки» вроде R2D2. Новый раздел робототехники невозможно отделить от материаловедения, при этом оба данных направления демонстрируют высокие темпы развития. Конечно, многие экспериментальные разработки пока еще далеки от завершения, и тем не менее все большее число проектов доходит до стадии практического применения полученных результатов. К примеру, в сфере здравоохранения «мягкие» роботы, возможно, уже в ближайшие годы смогут произвести революцию в плане изменения подходов к лечению.
Посмотреть в журнале