Инженеры Калифорнийского университета в Сан-Диего создали четвероногого мягкого робота, для работы которого не нужна электроника. Роботу нужен только постоянный источник сжатого воздуха для всех его функций, включая управление и системы передвижения. Команда, возглавляемая Майклом Т. Толли, профессором машиностроения инженерной школы Джейкобса в Калифорнийском университете в Сан-Диего, подробно описывает свои выводы в выпуске журнала Science Robotics от 17 февраля 2021 года.

«Эта работа представляет собой фундаментальный, но важный шаг на пути к полностью автономным шагающим роботам без электроники», — сказал Дилан Дротман, доктор философии. студент исследовательской группы Толли и первый автор статьи. Приложения включают недорогую робототехнику для развлечений, такую ​​как игрушки, и роботы, которые могут работать в средах, где электроника не может работать, например, в аппаратах МРТ или шахтах. Мягкие роботы представляют особый интерес, поскольку они легко адаптируются к окружающей среде и безопасно работают рядом с людьми.

Большинство мягких роботов питаются сжатым воздухом и управляются электронными схемами. Но для этого подхода требуются сложные компоненты, такие как печатные платы, клапаны и насосы — часто за пределами тела робота. Эти компоненты, составляющие мозг и нервную систему робота, обычно громоздки и дороги. В отличие от этого, робот из Калифорнийского университета в Сан-Диего управляется легкой и недорогой системой пневматических контуров, состоящих из трубок и мягких клапанов, установленных на борту самого робота. Робот может ходить по команде или в ответ на сигналы, которые он воспринимает из окружающей среды.

«С нашим подходом вы можете создать очень сложный роботизированный мозг», — сказал Толли, старший автор исследования. «Мы сосредоточились здесь на создании простейшей пневматической нервной системы, необходимой для управления ходьбой». Вычислительная мощность робота примерно имитирует рефлексы млекопитающих, которые управляются нервной реакцией позвоночника, а не мозга. Команда была вдохновлена ​​нейронными цепями, обнаруженными у животных, называемыми генераторами центральных паттернов, состоящими из очень простых элементов, которые могут генерировать ритмические паттерны для управления движениями, такими как ходьба и бег.

Чтобы имитировать функции генератора, инженеры построили систему клапанов, которые действуют как осцилляторы, управляя порядком, в котором сжатый воздух входит в мускулы четырех конечностей робота с пневматическим приводом. Исследователи создали инновационный компонент, который координирует походку робота, задерживая нагнетание воздуха в ноги робота. Походка робота была вдохновлена ​​черепахами с боковой шеей.

Робот также оснащен простыми механическими датчиками — маленькими мягкими пузырьками, наполненными жидкостью, расположенными на концах стрел, выступающих из тела робота. Когда пузырьки опускаются, жидкость переворачивает клапан робота, заставляя его менять направление. Статья Science Robotics основана о предыдущей работе других исследовательских групп, которые разработали осцилляторы и датчики на основе пневматических клапанов, и добавляет компоненты, необходимые для достижения таких высокоуровневых функций, как ходьба.

Как это устроено

Робот оснащен тремя клапанами, действующими как инверторы, которые вызывают распространение состояния высокого давления по цепи с пневматическим приводом с задержкой на каждом инверторе.

Каждая из четырех ног робота имеет три степени свободы, приводимые в движение тремя мускулами. Стойки наклонены вниз под углом 45 градусов и состоят из трех параллельно соединенных пневматических цилиндрических камер с сильфонами. Когда камера находится под давлением, конечность изгибается в противоположном направлении. В результате три камеры каждой конечности обеспечивают многоосевой изгиб, необходимый для ходьбы. Исследователи соединили камеры на каждой ноге по диагонали друг от друга, что упростило задачу контроля.

Мягкий клапан переключает направление вращения конечностей между против часовой стрелки и по часовой стрелке. Этот клапан действует как так называемый двухполюсный двухпозиционный переключатель с защелкой — переключатель с двумя входами и четырьмя выходами, поэтому каждый вход имеет два соответствующих выхода, к которым он подключен. Этот механизм немного похож на использование двух нервов и обмен их связями в мозге.

Следующие шаги

В будущем исследователи хотят улучшить походку робота, чтобы он мог ходить по естественной местности и неровным поверхностям. Это позволило бы роботу преодолевать множество препятствий. Это потребует более сложной сети датчиков и как следствие, более сложной пневматической системы. Команда также рассмотрит, как эту технологию можно использовать для создания роботов, которые частично управляются пневматическими цепями для некоторых функций, таких как ходьба, в то время как традиционные электронные схемы выполняют более высокие функции.