Вдохновленные природой: Бионические роботы

Наиболее впечатляющий раздел робототехники — это создание анималистических роботов и андроидов — бионика. В каком-то смысле бионика почти всегда сопровождает разработчиков роботов — многие устройства, включая предназначенные для выполнения узкоспециализированных задач, сохраняют сходство с человеком и имеют антропоморфные черты. Между тем человеческое строение не всегда подсказывает оптимальные решения. Многие животные лучше нас адаптированы к среде обитания. Они плавают, бегают, совершают прыжки, удерживаются на различных поверхностях лучше, чем люди, не говоря уже о возможности летать. В наши дни строение животных и бактерий становятся той областью, в которой создатели роботов черпают новые идеи. Еще Леонардо да Винчи подметил это, пытаясь создать орнитоптер — аппарат, оснащенный крыльями подобно птицам.

В бионике используются принципы организации, функций и свойств биологических систем при поиске оригинальных, а зачастую оптимальных инженерных решений. Стив Эссомба (Steve Essomba) дает ей следующее определение: «бионика — применение биологических методов и конструкций, подсмотренных в природных системах, для разработки и проектирования инженерных систем и современных технологий». Основное преимущество такого подхода состоит в заимствовании у природы готовых к использованию схем и идей. Разработчики могут отказаться от длительных испытаний способов передвижения устройств и их взаимодействия с окружающей средой — работающий прототип всегда перед глазами. Тем не менее бионика имеет определенные ограничения, поскольку не все природные решения оказываются оптимальными по сравнению с современными достижениями инженерной мысли.

Робот BigDog компании Boston Dynamics

Остановимся подробнее на достижениях современной бионики. Вероятно, одним из самых впечатляющих являются современные робопротезы. Летом 2015 г. девятилетний мальчик стал самым молодым обладателем бионического протеза. Разработанный в Соединенном Королевстве биопротез I-Limb Quantum позволил ребенку впервые самостоятельно надеть брюки и поесть, пользуясь столовыми приборами.

Бюджетный бионический протез OpenBionics, изготовленный с применением 3D-печати

Производит впечатление и опыт Хью Герра, руководителя группы Biomechatronics research group лаборатории MIT Media Lab. Герр, потерявший ноги, когда ему было 17 лет, сосредоточил свои усилия на поиске решения данной проблемы и занялся разработкой протезов. Полученные результаты позволили ему не только сохранить подвижность и не приковывать себя к креслу, но и продолжить занятия альпинизмом. Стоит отметить бурно растущий рынок 3D-печати, который позволил сделать производство индивидуальных устройств такого типа максимально эффективным.

Вы наверняка видели на YouTube видео анималистических роботов производства компании Boston Dynamics, например AlphaDog, Cheetah и WildCat. Их устройство отдаленно напоминает строение тела, а перемещение основано на тех же механиках, что и передвижение собаки и гепарда. Эти роботы умеют не только избегать столкновений с препятствиями и уверенно стоять на ногах, но и быстро бегать, а также перепрыгивать через невысокие преграды. Четвероногий робот LS3 принимал участие в международных военно-морских учениях RIMPAC 2014. «Я бы сказал, что он осилит от 70 до 80% маршрутов, которыми мы ходим», — вспоминает оператор «робомула», младший капрал армии США Брэндон Дикман (Brandon Dieckmann).

Бостонская инженерная корпорация Advanced Systems Group создала робота BIOSwimmer. В конструкции машины воспроизведено строение тела тунца, что обеспечило высокую скорость передвижения и маневренность под водой. Устройство может быть использовано, например, для наружного осмотра подводной части корпуса корабля или других объектов. Осенью 2015 г. создатели системы получили грант от MassVentures в размере 500 тыс. долл. на коммерциализацию проекта.

Специалисты Гарвардского университета создали «мягкого робота», взяв за основу строение группы морских животных — кальмаров, каракатиц и осьминогов. «Фишка» устройства — эластичное «тело», позволяющее роботу проползать под невысокими препятствиями или пролезать в щели. Машина позаимствовала у животных способность маскироваться. Мягкое «тело» робота снабжено системой каналов, в которые можно подавать различные красители, изменяя раскраску его поверхности. Робот также способен изменять свою температуру, а если потребуется — светиться в темноте.

Немецкая компания Festo разработала беспилотник-махолет SmartBird, копирующий полет чайки. Робоптица не только машет крыльями, но и изгибает крылья под углом, обеспечивающим ее оптимальные аэродинамические свойства, как и у природного «прототипа». Хвост SmartBird, подобно птичьему, служит для стабилизации устройства в полете и при маневрировании. Движения «головой» и частями торса аппарата поддерживают перемещение в заданном направлении. Такие беспилотники используются для отработки бионических технологий, способствуя созданию летающих роботов.

Исследователи Калифорнийского университета в Беркли (США) создали робота X2-VelociRoACH длиной 10,4 см и массой всего 54 г. По своему строению и внешнему виду он напоминают таракана. Робот перемещается гораздо быстрее, чем можно было бы ожидать при таких его размерах — скорость устройства достигает 17,7 км/ч. В Балтийском федеральном университете имени Иммануила Канта также создан робот-таракан, схожий по размерам с американским. Он получился медленный, его скорость всего 1 км/ч. Планируется оснастить его инерциальной навигационной системой, которая позволит этому « таракану » двигаться по заданному курсу.

В NASA разработали несколько прототипов робота LEMUR (Limbed Excursion Mechanical Utility Robot), который, как ожидается, будет использован для проведения наружного осмотра МКС в телеуправляемом или в автоматическом режиме. Создатели устройства позаимствовали у гекконов и пауков их возможность одинаково легко перемещаются по стенам и потолку . Робот снабжен специальными «липучками», позволяющими ему надежно удерживаться на поверхностях из различных материалов.

В ближайшие годы исследованием поверхности Луны, вполне вероятно, займется робот-«шимпанзе», разработанный в Robotics Innovation Center (Германия). Прототип этого устройства под названием Charlie интересен тем, что способен как перемещаться на четырех ногах, когда требуется повышенная устойчивость, так и использовать пару передних «конечностей», чтобы работать инструментом или взаимодействовать с различными объектами.

Форма и способ передвижения змей были заимствованы для создания целого ряда разработок биороботики. Стоит упомянуть такие недавние, как роботизированное устройство для подключения автомобилей Tesla к зарядной станции. Впечатляющих робозмей разработал д-р Гевин Миллер (Gavin Miller). Робозмея Shigeo Hirose's ACM-R5, построенная по модульному принципу, способна не только передвигаться по твердой поверхности, но и плавать под водой. Благодаря устанавливаемым на робозмеях сенсорах, эти устройства можно применять для наружного осмотра инженерных объектов и поиска людей в чрезвычайных ситуациях, например под завалами.

Роботизированная бионическая змея и ее разработчик

Существуют и бионические насекомые. Festo создала роботизированных муравьев BionicANT, способных взаимодействовать друг с другом и объединять усилия, для того чтобы поднимать тяжелые объекты. По словам главы Отдела корпоративных коммуникаций доктора Генриха Фронцека (Heinrich Frontzek), робомуравьи взаимодействуют друг с другом и координируют свои действия и движения. «Каждый муравей принимает решения автономно, но при этом всегда подчиняется общей цели и таким образом играет роль в ее достижении», — объяснил он. Компания Festo также разработала бионическую стрекозу BionicOpter.

Бионический подход зачастую используется при разработке компонентов роботов.

Кроме того, Festo представила новый захват для роботов, в качестве основы для которого использовано строение языка хамелеона. Эластичный силиконовый FlexShapeGripper может поднимать и перемещать объекты различных форм. Для захвата используется пневматика, и потому объекты удерживаются без дополнительных затрат энергии.

Захват, принцип работы которого позаимствован у языка хамелеона

Из природы приходит и пластичность движений. В настоящее время многие люди думают, что роботы — жесткие устройства из металла и пластмассы. Однако бионические захваты, разрабатываемые для промышленных роботов, открывают новые возможности. «Жесткокорпусному» роботу требуются сложные программы и вычисления, для того чтобы поднять объект, не повредив его, а наличие пластичного захвата разгружает «мозг» машины.

Захват может быть устроен гораздо проще, чем механическая «рука», состоящая из десятков элементов. Например, разработка Jaeger-Lipson представляет собой заполненный молотым кофе шар, который изменяет жесткость в зависимости от внутреннего давления. Устройство самостоятельно «охватывает» тот предмет, который должно поднять, не проводя каких-либо ситуативных расчетов.

Бионика не только расширяет возможности роботов по взаимодействию с окружающим миром, но и создает новые способы его восприятия. Так, специалисты из Федеральной политехнической школы Лозанны (EPFL) создали роботизированный фасеточный «глаз» для миниатюрных беспилотников. Подобно тому, как глаза насекомых замечают мельчайшие изменения освещенности, дроны могут воспринимать 3D-картину движущихся вокруг них объектов.

Из природы в робототехнику пришли и вибриссы — длинные жесткие осязательные волоски у млекопитающих, например усы у кошек. Ученые Иллинойского университета разработали прототип сенсора в виде прута диаметром 3 мм, который может определять положение объектов и формировать двумерное изображение, основываясь на микроколебаниях, вызванных потоком воздуха. Как ожидается, подобные разработки расширяют арсенал доступных роботам сенсоров и оптимизируют их взаимодействие с окружающим миром.

Можно с уверенностью утверждать, что в ближайшие годы бионика привнесет в робототехнику немало удивительных возможностей. Особый интерес вызывают ее возможности по улучшению функционирования малых роботов, размер которых не позволяет установить на них традиционное оборудование. Арсенал идей, которые можно позаимствовать из природы, еще очень велик. Ведутся, например, разработки искуственных мышц, которые смогут заменить в роботах привычные электромоторы. Началось создание роботов, имитирующих различных насекомых. Но не только миниатюрные устройства выигрывают от бионических решений. Роботам-андроидам еще предстоит научиться воспринимать окружающий мир подобно тому, каким его видим и ощущаем мы.