М’який робот на повітряному приводі імітує природний рух
Традиційні роботи покладаються на центральні процесори, громіздкі датчики та алгоритми штучного інтелекту для координації рухів, що призводить до важких конструкцій і часто незграбних ходів. Натомість команда з Інституту молекулярної та атомної фізики (AMOLF) в Амстердамі представила радикально простого м’якого робота без мозку, який використовує лише фізику повітряного потоку та еластичні трубки для бігу, стрибків через перешкоди та навіть плавання.
Фізика небесного танцю: від лабораторних цікавинок до автономного руху
Історія почалася, коли робототехнік Альберто Коморетто зігнув пневматичну трубку, щоб зупинити потік повітря. Замість того, щоб залишитися нерухомою, трубка почала самостійно коливатися з частотою 120–200 Гц, видаючи гучний свист. Високошвидкісне відео (2000 кадрів на секунду) показало, що вигини формуються в точках звуження, поширюються вздовж силіконової трубки діаметром 50 мм та товщиною 1,5 мм, скидають тиск і потім знову формуються — створюючи періодичну, асиметричну хвилю.
“Ми усвідомили, що принципи, які лежать в основі ‘Летючих хлопців’ Олімпіади 1996 року, подібні,” говорить Коморетто, згадуючи про танцюючі надувні фігури, що приводяться в рух чергуванням повітряних імпульсів. “Але їхній рух був випадковим. Ми хотіли контрольованої періодичності, що імітує, як м’язи та сухожилля керують живими організмами.”
Трубчасті ноги: геометрія, що визначає рухи
Створивши 3D-друком м’який шасі довжиною 120 мм та прикріпивши чотири зігнуті пневматичні ноги, команда запрограмувала частоти ходи за допомогою тиску на вході. Тиск повітря в діапазоні 15–30 кПа генерував коливання з частотою 80–150 Гц. Вражаюче, що синхронізація кінцівок виникла без електронної координації — подібно до метрономів, що синхронізуються на плаваючій платформі.
Основні характеристики:
- Матеріал для трубок ніг: силіконовий еластомер (твердість 30A)
- Внутрішній діаметр трубки: 5 мм; товщина стінки: 1,5 мм
- Робочий тиск: 10–40 кПа
- Частота коливань: 50–200 Гц
- Пневматичне з’єднання: один вхідний колектор
На твердих поверхнях усі чотири ноги рухалися в унісон, створюючи стрибковий гепард з швидкістю до 0,2 м/с. Під водою зменшене тертя призвело до того, що кінцівки почали рухатися в антипазі, що спричинило плавання собаки.
Покращення потужності та ефективності
Перші прототипи вимагали лабораторного насоса потужністю 85 Вт, що постачав 15 л/хв, з’єднаного 3-метровим шлангом — серйозна перешкода для автономії. Щоб вирішити цю проблему, команда:
- Зменшила кількість кінцівок з чотирьох до двох, скоротивши потребу в повітрі вдвічі
- Оптимізувала кривизну трубки та товщину стінки, щоб знизити тиск ініціації вигинів до 8 кПа
- Інтегрувала мікрокомпресор (0,5 г/см³, піковий тиск 7 кПа), що споживає 120 мА при 7,4 В
Результат: 0,06 Вт на кінцівку і літій-іонний акумулятор ємністю 250 мАг, що забезпечує 20 хвилин роботи без підключення. Новий робот важить 35 г і має розміри 100 мм × 40 мм × 30 мм.
Фізичний інтелект і емерджентна координація
Без мікроконтролерів робот покладається на фізичний інтелект — де взаємодія тіла з навколишнім середовищем виконує ‘обчислення’. Тиск у спільному колекторі з’єднує кінцівки, дозволяючи їм адаптувати ходу в реальному часі. Коли одна кінцівка стикається з перешкодою або опором рідини, зворотний зв’язок тиску автоматично змінює час коливань для всіх актуаторів.
Доктор Джейн Лю, експерт з м’якої робототехніки в MIT, зазначає: “Це значний крок до повноцінного втіленого інтелекту. Морфологія робота виконує обробку сигналів, яка в іншому випадку вимагала б програмного забезпечення.”
Емерджентні стратегії контролю з мінімальною електронікою
Щоб керувати поведінкою, команда додала два фотодіоди як прості “очі”. Аналогові компаратори активують пневматичні клапани, які відкривають або закривають вхідний порт кожної кінцівки в залежності від рівня навколишнього світла. Як результат, робот може:
- Орієнтуватися на джерело світла
- Перемикатися з бігу на плавання при виявленні води (через ємнісне чуття)
- Уникати стін шляхом диференційної активації кінцівок
“На даний момент зіткнення змушують його відхилятися вліво,” пояснює співавтор Йоганнес Овервелде. “Ми вивчаємо нелінійні динаміки, щоб налаштувати реакції для конкретних завдань.”
Можливі застосування та майбутні напрямки
Без складного програмного забезпечення такі м’які роботи можуть стати ідеальними там, де важливі надійність і адаптивність:
- Біомедичні пристрої: штучні серця або перистальтичні насоси, що самостійно регулюються під час коливань артеріального тиску
- Екологічний моніторинг: легкі плавці для контролю якості води в крихких екосистемах
- Пошук і порятунок: повітряні краулери, які можуть пробиратися через завали без електроніки, схильної до збоїв
У перспективі команда AMOLF співпрацює з EPFL для інтеграції полімерів з пам’яттю форми для змінної жорсткості та з TU Delft для впровадження біорозкладних трубок для одноразових медичних застосувань. Стаття, що детально описує повну конструкцію пневматичного кола і нелінійне моделювання, з’явиться в журналі Science (2025, DOI: 10.1126/science.adr3661).
Перспективи експертів
Професор Марія Васкес, механічний інженер у Caltech, коментує: “Ця робота є прикладом переходу від цифрового контролю до фізичного обчислення — де інтелект ‘записується’ в матеріальних властивостях і геометрії. Тепер виклик полягає в масштабуванні складності без втрати надійності.”
Висновок
Використовуючи внутрішню динаміку повітряного потоку та м’яких матеріалів, команда AMOLF проклала шлях до роботів, які є простішими, легшими та більш адаптивними, ніж їхні цифрові аналоги. У міру розвитку досліджень у сфері втіленого інтелекту, ми можемо незабаром побачити нове покоління машин, чиї ‘мозки’ знаходяться в їхніх тілах і навколишньому середовищі — без необхідності оновлення програмного забезпечення.