От механической собаки до силиконовых медуз
Одним из недавних примеров распространенного инженерного метода — заимствования конструктивных особенностей из мира природы — может служить летательный аппарат, над которым трудятся исследователи из Университета Брауна (США) и Технического университета Мадрида (Испания). Их привлекла поразительная маневренность летучих мышей, которая позволяет этим рукокрылым летать на большой скорости в ограниченном пространстве пещер — среди множества препятствий.
Инженеры решили не придумывать ничего нового, а в точности воспроизвести полет летучей мыши. Анализ видеозаписей показал, что главный секрет таится в постоянно изменяющейся геометрии крыльев, имеющих по 25 подвижных сочленений и обтянутых эластичной мембраной. После долгих расчетов был изготовлен опытный экземпляр устройства под названием «БэтБот» (BatBot).
Механическая летучая мышь имеет размах крыльев около 50 сантиметров и весит всего 125 граммов. На данный момент робот устроен проще, чем его прообраз, ‒ в каждом его крыле имеется только семь суставов. Чтобы наделить его быстрыми и точными движениями, авторы отказались от обыкновенных электромоторов и использовали искусственные мышцы на основе волокон эластичного металлического сплава, обладающего «памятью формы».
Настоящая летучая мышь и роботизированное крыло, созданное по ее подобию. Фото: Breuer and Swartz labs/Brown University
Продолжительные аэродинамические испытания модели во всей красе показали, что миллионы лет эволюции создали по-настоящему сложную систему, повторить которую во всех деталях не так-то просто. У исследователей возникла масса трудностей с суставами, которые не выдерживали нагрузки, и с материалом мембраны, который рвался по краям. Зато в процессе решения этих проблем стала понятна функция отдельных групп мышц и сухожилий на крыльях летучих мышей.
Сейчас робот летает только по прямой, но на следующем этапе ученые собираются настроить его для совершения резких поворотов на большой скорости. В будущем техника полета, подсмотренная в дикой природе, может привести к созданию быстрых и маневренных беспилотных аппаратов, способных перемещаться внутри зданий, шахт и прочих мест, недоступных для современных средств разведки.
На службе у спецслужб
Больше половины роботов-животных позиционируются своими создателями как потенциальные средства разведки. Не удивительно, что подобные работы вызывают интерес у таких серьезных организаций, как Американское агентство перспективных исследовательских оборонных проектов (DARPA). Это подразделение Пентагона совместно с компанией Boston Dynamics приложило руку к разработке целого ряда устройств, которые могут найти применение во время боевых операций.
Например, четвероногая механическая собака BigDog способна передвигаться по пересеченной местности, взбираться на крутые склоны и при этом переносить до 55 килограммов груза. Усовершенствованная версия, получившая название «Шагающая система поддержки отряда» или LS3, может следовать по заданному маршруту с помощью GPS, сканировать окружающую местность и нести на себе 400 килограммов снаряжения. При этом несколько роботизированных «мулов» могут выстраиваться в колонну и, следуя за вожаком, доставлять снабжение для воинских подразделений.
Компактный вездеход RHex больше всего напоминает большого таракана. Перемещаясь на шести независимых ногах, он может преодолевать грязь, ручьи, камни и упавшие ветки. У этого устройства нет понятия «верх», «низ», «перед» и «зад». Перевернувшись, робот, как ни в чем не бывало, продолжает свой путь. А наличие дистанционного управления, фонарика и видеокамеры делают его идеальным шпионом.
Самый быстрый в арсенале Boston Dynamics — четвероногий робот-гепард Cheetah — во время испытаний на беговой дорожке разогнался до 45,5 километров в час. Таким образом, он не только превзошел все подобные машины, но и побил рекорд легендарного спортсмена Усейна Болта, который разгоняется до 44,7 километров в час.
Часто необычные решения для своих творений инженеры черпают в мире насекомых. Например, механическая блоха, созданная в Национальном университете Сеула, и робот-кузнечик от ученых из Федеральной политехнической школы Лозанны в точности копируют механизм прыжка своих природных аналогов. С помощью особого сплава никеля и титана ученые воссоздали естественную пружину из эластичного белка, которая выпрямляет задние ноги блохи. Под воздействием электричества такое волокно резко растягивается или сокращается, что позволяет роботу подпрыгивать на высоту, в тридцать раз превышающую его собственный рост.
Чтобы найти способ сделать шагающих роботов более устойчивыми, исследователи из Университета Калифорнии в Беркли (США) обратились к тараканам. Эксперименты показали, что эти проворные насекомые не задействуют мозг, чтобы балансировать при движении по неустойчивым конструкциям. Многие механизмы имеют на конечностях датчики, информация от которых в реальном времени используется для корректировки шага при изменении условий. Но тараканы подсказали ученым, что максимальной устойчивости можно добиться, если сначала закончить шаг, и только после этого анализировать обстановку. В противном случае коррективы, внесенные на «полпути», идут во вред и приводят к падению.
Американские ученые из Стенфордского университета разработали робота, который ловко карабкается по стенам без использования присосок. Авторы взяли за основу уникальное строение лап геккона, покрытых множеством тончайших волосков. Они сцепляются с поверхностью с помощью ван-дер-ваальсовых сил межмолекулярного взаимодействия. Конечности робота также снабжены миллионами щетинок из синтетического материала, которые позволяют ему удерживаться даже на оконном стекле и подниматься вверх со скоростью 0,3 метра в секунду. В перспективе подобные машины могут быть использованы для обследования труднодоступных мест, в том числе, на других планетах. Конечно, технология не могла не привлечь внимание военных из DARPA, которые использовали ее для своего прототипа под названием «RiSE» (Восхождение).
Но одним из самых удивительных творений в области бионики является листообразный робот, над которым трудятся конструкторы из японского Университета Тохоку. В поисках идеи для универсального вездехода, способного двигаться по любым поверхностям, исследователи обратились к плоским червям. Они создали компьютерную модель, представляющую собой сетку из пяти параллельных виртуальных червей, которые пересекаются с другой пятеркой, направленной перпендикулярно. Получившийся лист может перемещаться в любом направлении, адаптируя технику движения в зависимости от поверхности. Первый реальный образец следует только прямолинейно, но в планах ученых стоит создание новой модели, которая сможет не только двигаться в любую сторону, но и преодолевать водные преграды.
Водная среда также не осталась обделенной вниманием конструкторов. Так в Харбинском институте технологий (Китай) был сконструирован миниатюрный робот, который скользит и прыгает по поверхности воды, подобно водомерке. Как и во многих других исследованиях, ученые начали с того, что изучили видеозаписи движения насекомых и создали компьютерную модель. Они выяснили, что главный секрет таится в гидрофобных опорных ножках. В результате действующая модель получила ножки из водоотталкивающей никелевой пены, которая позволяет роботу отталкиваться от водной глади и совершать прыжки на 14 сантиметров в высоту и более 30 сантиметров в длину. Разработчики полагают, что их творение может быть задействовано для проведения различных анализов в водоемах.
Сразу несколько моделей водоплавающих роботов собраны по подобию медуз. Например, конструкторы из Университета Техаса (США) представили прототип с силиконовым куполом и металлическими кольцевыми «мышцами», который работает на водороде. Другая группа американских исследователей из Гарвардского университета пошла еще дальше: их роботизированная медуза приводится в движение за счет сокращения сердечных клеток крысы, встроенных в эластичный купол. При пропускании через морскую воду слабого электрического тока эти клетки сокращались, выталкивая воду и приводя устройство в движение. Затем синтетическая оболочка восстанавливала свою форму.
