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.

BigDog. Видео: Boston Dynamics

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.

RHex. Видео: Boston Dynamics

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.

Робот-блоха. Видео: Seoul National University

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).

Робот-геккон. Видео: Stanford University

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.

Робот-медуза. Видео: Caltech/Harvard University

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован.