Пользователи и сообщество разработчиков привыкли, что роботы – это сложные металлические конструкции. Этот подход был оправдан, он объяснялся стремлением к надежности, предполагал традиционные виды производства. Но вопрос сегодня в формах, свободе движения и в проблеме «уровня близкого контакта».

В 2007 году Сесилия Ласки попросила отца поймать живого осьминога для ее лаборатории в Ливорно, Италия. Отец подумал, что дочка сошла с ума: будучи рыболовом-любителем, он знал, что поймать осьминога крайне легко, а значит это очень глупое животное. И вообще, зачем ученому-робототехнику, который работает с металлом и микропроцессорами, могло пригодиться это скользкое головоногое?

Тем не менее, Ласки-старший поймал осьминога на побережье Тосканы и отдал дочери, работающей в Школе продвинутых исследований Св. Анны в Пизе. Сесилия и ее студенты поместили моллюска в резервуар с морской водой, через который можно было наблюдать за тем, как животное хватает кусочки анчоусов и крабов. После этого команда приступила к созданию роботов, которые могли бы повторить эти движения.

После постройки нескольких прототипов им удалось создать искусственное щупальце с пружинами и проводами внутри, способное в точности повторить сокращения мышц осьминога и в итоге совершать волнообразные движения, удлиняться, сжиматься и извиваться вполне похожим образом. «Это абсолютно новый подход к созданию роботов», — говорит Ласки.

Подобный подход стал одной из основных областей исследований в робототехнике последних десяти лет. Ученые и полевые инженеры долгое время взаимодействовали с роботами с жестким корпусом, форма которых часто копировала форму человека или животных с жестким скелетом.

Преимуществом таких устройств является их способность двигаться по математически рассчитываемой траектории, а жесткие конечности могут сгибаться и разгибаться только вокруг одних и тех же осей. Но для того чтобы такие роботы не врезались в препятствия, необходим тщательный расчет их движений и подробная обратная связь. И даже при этом их движения могут быть беспорядочными или даже опасными при взаимодействии с людьми, другими объектами, необычной окружающей средой или другими непривычными условиями.

Роботы, которых разрабатывают, вдохновляясь формой осьминогов, могут преодолевать препятствия, которые не под силу роботам с жестким корпусом традиционной формы.
 

Для роботов, при создании которых вдохновлялись формой осьминогов, гусениц или рыб, такой проблемы попросту не существует. Не требующие серьезных (и часто некорректных) вычислений, мягкие роботы изготавливаются из эластичных материалов и могут просто менять свою форму в соответствии с окружающей средой. Несмотря на то, что в конструкции некоторых из них используются пружины и провода для имитации движения мышц или сухожилий, как вид, мягкие роботы превосходят тех, что имеют жесткий каркас и что определяли собой предыдущие поколения роботов. Так как у них нет деталей наподобие костей или суставов, эти устройства могут растягиваться, скручиваться, сминаться и сжиматься так, как раньше роботы были не способны. Они могут менять свою форму и размер, обвиваться вокруг объектов и даже касаться людей более безопасно.

Где их можно использовать

Если технологии достаточно разовьются, такие роботы получат широкое распространение: в качестве спасателей они смогут проникать даже в самые узкие пространства в обломках; как домашний медицинский персонал — вплотную взаимодействовать с человеком; как станки на производстве — производить манипуляции с объектами без предварительной прошивки.

Есть ли у робо-осьминога «друзья»?

Исследователи уже создали большое количество разных роботов, среди которых роботизированная гусеница, рыба и искусственная медуза. 29-30 апреля в Ливорно пройдет первый в истории чемпионат, в котором примут участие десять команд-создателей мягких роботов. Ласки, которая занимает пост научного координатора исследовательского консорциума RoboSoft, спонсируемого Еврокомиссией, надеется, что это мероприятие форсирует появление новых разработок в отрасли.

«Если мы взглянем на биологию и зададимся вопросом, что открыла для нас дарвиновская теория эволюции, то мы увидим множество решений вопросов движения, ощущения, захвата, питания, охоты, плавания, ходьбы и скольжения, которые недоступны роботам с твердым корпусом, — считает химик Джордж Уайтсайдс, исследователь в Гарвардском университете. — Это просто потрясающая идея – создать принципиально новый класс роботов».

Плавные движения

Для того чтобы робот точно знал, как именно и в какой последовательности приводить в движение множество шарниров, требуются наличие соответствующей программной оболочки, тщательно контролируемые условия и постоянная обратная связь. Стандартные роботы могут не справиться с задачами, которые не соответствуют запрограммированным параметрам, а в нестандартных условиях окружающей среды они могут полностью выйти из строя. Чаще всего роботы размещают за ограждениями, чтобы защитить работников от непреднамеренного вреда.

Робот Versaball играет в бир-понг.

«Задумайтесь о том, как на самом деле сложно завязывать шнурки, — говорит Даниэла Рас, директор лаборатории информатики и искусственного интеллекта в Массачусетском технологическом институте. — Мы бы хотели, чтобы роботам стало это под силу».

За последнее десятилетие это стремление привело к повышенному интересу к разработке более легких и дешевых устройств, которые могли бы справляться с непредвиденными и нестандартными ситуациями, а также напрямую взаимодействовать с человеком. Некоторые робототехники, включая Ласки, считают, что мягкие материалы и заимствование решений у природы могли бы удовлетворить этот спрос.

Отношение к мягким роботам в научном сообществе

По словам Ласки, поначалу эта идея не вызвала интереса. «Сначала на традиционных конференциях по робототехнике не хотели принимать мои статьи, — говорит она. — Но сейчас по нашей тематике проводят отдельные научные сессии». Подогревают интерес к сфере и недавние достижения в создании полимеров: в частности, появление новых технологий литья, формовки и 3D-печати полимеров произвольной формы. Это позволило робототехникам более свободно экспериментировать с созданием мягких роботов.

В результате уже сейчас к объединению RoboSoft, созданному в 2013 году, присоединились 30 учреждений. В 2014 году запустили профильный журнал Soft Robotics и ресурс с открытым доступом Soft Robotics Toolkit. Он был создан учеными из дублинского Колледжа Тринити и Гарварда для упрощения обмена советами, схемами и другой информацией между исследователями и любителями.

При этом, как говорит Ребекка Крамер, инженер из университета Пердью в в Индиане, «я не считаю, что в сообществе сформировалось единое мнение о том, как должны выглядеть мягкие роботы, и мы все еще пробуем разные технологии».

Как работают роботы

Пожалуй, главным вопросом является то, как заставить тела роботов извиваться, скручиваться и растягиваться. Роботизированное щупальце разработки Ласки построено на основе тонких металлических кабелей и пружин, изготовленных из сплавов с эффектом запоминания формы — легко гнущихся металлов, которые возвращают первоначальную форму при нагреве. Некоторые из этих деталей проложены внутри щупальца и имитируют работу продольных мышц, которые позволяют конечности изменять длину или сгибаться. Другие элементы радиально выходят из сердцевины щупальца, имитируя поперечные мышцы, которые меняют его диаметр. Создатели могут заставить щупальце извиваться или даже обвиться вокруг руки человека с помощью внешних двигателей, прикрепленных к кабелям, или путем нагрева пружин с помощью электрического тока.

Подобную систему реализовал нейробиолог Барри Триммер в ходе создания мягкого робота в виде гусеницы его любимого вида — бражника (Manduca Sexta). В лаборатории Триммера в Университете Тафтса, Массачусетс, каждый день рождаются 20 особей бражника, а сам Триммер создает еще несколько роботизированных. Механизированные создания ползают по лабораторному столу практически так же, как настоящие, и они даже могут повторить фирменное движение гусеницы: подтянув «мышцы» с одной стороны и сократив с другой, гусеница резко сворачивается в круг и укатывается прочь.

Триммер, главный редактор журнала Soft Robotics, мечтает, что когда-нибудь столь богатый арсенал движений позволит этому роботу стать хорошим помощником для спасательных служб, ведь в случае катастроф он сможет проникать под груды обломков в поисках выживших.

Тем временем Уайтсайдс работает над созданием роботов, приводимых в движение силой воздуха — например, семейство устройств на полимерной основе, прообразом которых стали морские звезды. Каждая из их конечностей состоит из развитой сети кармашков и каналов, которые проложены между двумя материалами с разной эластичностью. Исследователи накачивают воздух в ту или иную часть робота, а его конечности (ноги, пальцы, как угодно) асимметрично надуваются и сгибаются.

Команда под руководством Уайтсайдса уже даже построила робота, который может сыграть мелодию на пианино. Другой четырехногий робот, созданный этой командой, с легкостью преодолевает специальную полосу препятствий: при приближении к возвышению с проемом высотой всего в два сантиметра устройство протискивается в это отверстие, демонстрируя потенциал мягких роботов при пересечении поверхностей сложной конфигурации.

Доля на рынке

Хотя большая часть мягких роботов пока не покинула пределов лабораторий, некоторые из творений химика из Гарварда Джорджа Уайтсайдса уже вовсю используются для различных производственных нужд.

Для использования традиционных роботов с захватным устройством требуется точная информация о местонахождении объекта, его форме, весе и скользкости, так как необходимо рассчитывать траекторию движения каждого из шарниров. Одна система может быть настроена для манипуляций с флаконами для шампуня, другая — с детскими игрушками, а третья — для работы с футболками. При этом, когда производитель обновляет сборочные линии, или растет количество товаров, хранящихся на складе интернет-магазина, эти компании вынуждены заменять используемых роботов и обновлять программные алгоритмы для каждой области применения — чаще всего путем значительных денежных и временных затрат.

В свою очередь, роботы с захватным устройством, изготовленные из мягких и гибких материалов, могут сами подстраиваться под форму и размер других объектов. Стартап Soft Robotics, расположенный в Кембридже и появившийся благодаря исследованиям Уайтсайдса в 2013 году, привлек около 4,5 миллионов долларов на разработку серии роботизированных клещей с резиновым покрытием.

«Мы не используем датчики измерения силы, системы обратной связи и не проводим сложные расчеты, — рассказывает глава компании Карл Воз. — Мы просто берем объект и сжимаем захват, пока он не станет достаточно крепким».

Клещи, полностью изготовленные из полимеров, сгибаются, когда во внутренние каналы накачивается воздух. В то время как роботы с обычными манипуляторами должны рассчитывать положение каждого пальца, мягкая поверхность робота нового поколения позволяет ему усиливать захват и деформироваться в соответствии с формой объекта. Робот даже может переносить грибы, ягоды клубники или зрелые томаты с куста — задачи, которые до сих пор ассоциировались лишь с деликатным ручным трудом.

Soft Robotics выпустила первую серию таких роботов в продажу в июне 2015 года, и сейчас они проходят испытательный срок в шести компаниях, работающих в сфере упаковки и сортировки продуктов питания.

В соседнем Бостоне компания Empire Robotics выбрала принципиально иной подход, представив роботизированную «руку», которая напоминает мягкий мяч для снятия стресса. Мяч наполнен частицами, похожими на песок, которые изначально могут свободно перемещаться, что позволяет роботу деформироваться и принимать форму объекта. Затем с помощью специального клапана выкачивается воздух, что делает материал внутри робота жестким и закрепляет захват.

Versaball, разработанный на основе исследований Хенрика Джагера из Чикагского университета и Хода Липсона из Университета Корнелл, способен поднимать объекты весом до девяти килограммов за десятую долю секунды.

Ощущение пространства

По мере того, как появляются все новые роботизированные осьминоги, гусеницы, морские звезды и другие пластичные устройства, некоторые ученые сосредотачивают свою деятельность на разработке новых способов управления действиями роботов.

«Мы говорим о пластичных, эластичных материалах, — говорит Креймер. — Когда одна часть устройства приходит в движение, не всегда можно точно предугадать, где окажется другая».

Вот почему для многих областей понадобится применение дополнительных датчиков контроля движения. Между тем, стандартные датчики положения и силы — жесткие или полужесткие электронные компоненты — не всегда подходят для установки на мягких роботах, которые способны менять форму в довольно широких пределах.

Некоторые инженеры пытаются решить эту проблему путем разработки гибких датчиков. В Университете Карнеги Меллон в Пенсильвании Йонг-Лэ Парк работает над созданием клейких элементов, которые содержат жидкометаллические интегральные схемы, заключенные между пластинками из силиконового каучука. Эти жидкие схемы, находясь в различных конфигурациях, будь то спирали или полосы, могут передавать информацию о том, сжимается или растягивается устройство и в каком направлении.

Йонг-Лэ парк показывает гибкий датчик. Фото: Билл Уэйд/Post-Gazette.

«Гибкие датчики могут быть так же чувствительны, как кожа, в зависимости от того, как вы их запрограммируете. Можно их настроить на касание пальца или на вес в 13 килограммов», — поясняет инженер Роберт Шеферд в Корнелле, разработавший технологию 3D-печати чувствительных к растяжению покрытий, которые наносятся прямо на корпус робота. Дополнительные слои проводящих или диэлектрических материалов формируют электрический импульс при давлении или натяжении.

Гибкие датчики могут найти применение в носимой робототехнике. При поддержке Министерства обороны США Конор Уолш из Гарварда разработал мягкий «экзокостюм» — более комфортный аналог экзоскелета из фильма «Железный человек», который бы позволил солдатам переносить тяжелые грузы на значительные расстояния. По словам Уолша, испытатели все еще чувствуют, что костюм помогает им двигаться, но ходить в них «вполне естественно», что является положительным отличием от традиционных экзоскелетов. Вместо громоздких, жестких панелей, в костюмах Уолша используются ремни из нейлона, полиэстера и спандекса, расположенные в специальных точках вдоль ног. Информация с датчиков помогает отслеживать походку пользователя и помочь в нужный момент. Следующим шагом, рассказывает Уолш, станет внедрение гибких датчиков для повышения комфорта.

Экзокостюм. Фото: Wyss Institute, Harvard University.

Тем временем Ребекка Крамер, инженер из университета Пердью в Индиане, разработала роботизированную ткань, которая двигается под воздействием электрического тока. Полотно, в которое вшиты спирали с эффектом запоминания формы, может менять свою длину на 60% при стимуляции. «Умные нити» отслеживают движение ткани: Крамер использует чувствительные к растягиванию силиконовые вставки с жидким металлом.

Данную идею можно было бы использовать для изготовления рукавов или манжет, которые могли бы помочь травмированным или пожилым людям при движении. Кроме того, Крамер считает, что такой материал можно использовать для сборки роботов в космосе. Астронавтам достаточно было бы просто обернуть ткань, скажем, вокруг куска вспененного материала, и из этого получится функциональный робот.

Команда Ребекки Крамер. Фото: Чарльз Чичке.

Но прежде чем отправлять мягких роботов в космос, предстоит еще большой объем подготовительной работы на Земле. Сравнительно немного известно о том, как активные материалы деформируются под воздействием внешних сил, а также как движение распространяется через мягкие материалы. Кроме того, большинство мягких роботов функционируют только при наличии традиционного источника энергии, к примеру, батарей или бака со сжатым воздухом. Некоторые ученые уже рассматривают возможность применения биохимических или возобновляемых источников энергии для работы мягких роботов.

Чемпионат роботов в рамках Soft Robotics Week 2016, который пройдет в апреле, может стимулировать развитие исследований. Роботы будут проверять свои возможности в разных дисциплинах: им придется соревноваться в гонках по песку, открывать дверь за ручку, взять несколько незнакомых объектов и уворачиваться от хрупких объектов под водой. По словам инженера Сесилии Ласки, цель мероприятия — показать, что мягким роботам под силу выполнять некоторые задачи, с которыми справляются обычные роботы, а также другие задачи, которые обычным роботам неподвластны.

«Мне не кажется, что мягкие роботы заменят собой традиционных. Скорее всего, мы увидим, как они станут работать сообща», — считает Ласки.

Многие ученые полагают, что роботы с жесткими корпусами сохранят свое превосходство там, где требуется большая мощь, скорость или точность. Но во все растущем числе областей, в том числе при близком взаимодействии с людьми или в других непредвиденных ситуациях, свое применение найдут и мягкие роботы.

В Королевском колледже в Лондоне, например, коллеги Ласки конструируют хирургический эндоскоп на основе разработанной ею технологии создания щупальца. Команда Ласки в Италии разрабатывает полноразмерного робота-осьминога, который плавает с помощью реактивного движения и когда-нибудь будет использован для изучения подводного мира. Прототип уже способен понемногу передвигаться в резервуаре в лаборатории так же, как это делают настоящие осьминоги.

 

«Когда я начинала разработку осьминога, люди спрашивали меня, зачем я это делаю, — рассказывает Ласки. — Я отвечала им: “Не знаю, но если у меня получится, его можно будет использовать в огромном количестве областей” ».

Полина Тодорова

Источник

Читайте и смотрите также:

ЧЕТЫРЕ МАРКЕТИНГОВЫЕ СИЛЫ, КОТОРЫЕ БУДУТ ВЛИЯТЬ НА РОБОТОТЕХНИКУ В 2016 ГОДУ

 

РОБОТЫ-СПАСАТЕЛИ: ПОД ЗЕМЛЕЙ, ПОД ВОДОЙ, В ВОЗДУХЕ

 

ЭПОХА РОБОТОВ. ШЕСТАЯ СЕРИЯ