Сила и гибкость шеи жирафа вдохновили на создание нового робота в Японии

Когда мы думаем о гибкости роботов, лучшие примеры обычно можно найти в мягких роботах, имитирующих щупальца осьминога или хобот слона, которые обладают некоторыми уникальными возможностями. Но большинство животных в некоторой степени мягкие и гибкие, как правило, в сочетании с жесткой внутренней структурой. 

Это сложная система, хотя и с некоторыми значительными преимуществами в мощности и управлении. Исследователи из Токийского технологического института экспериментировали с имитацией того, что, возможно, является одним из самых впечатляющих сочетаний гибкости и силы в животном мире — шеи жирафа. 

Пока работа носит исследовательский характер и должна только помочь найти способы перенести анатомию настоящего животного на технику, однако роботизированная шея уже умеет двигаться подобно своему примеру и даже адаптироваться к приложенной силе (приложенной руками инженеров). Этот прототип еще далек от всего, что умеют живые жирафы, однако инженеры планируют увеличивать его гибкость и выносливость.

«Шея жирафа обладает прекрасными характеристиками, которые могут послужить хорошей альтернативой для конструирования крупного роботизированного механизма. Например, шея может быстро двигаться, когда жирафы бьют друг друга по шеям. Кроме того, шея жирафа помогает предотвратить удары и адаптируется к форме и твердости шеи противника. Напротив, обычный роботизированный механизм ограничен в своих возможностях для достижения таких характеристик мощности и гибкости — то есть быть мощным, но при этом иметь устойчивость к ударам, а также кинематическую и динамическую адаптируемость к противнику», — говорится в исследовании

Шеи жирафов могут весить до 150 килограммов и достигать 2 метров в длину, но в ходе эволюции они стали гибкими и сильными не только для того, чтобы получить вкусные высокорастущие листья, но и потому, что жирафы-самцы дерутся друг с другом шеями, иногда до смерти. Что может быть лучшим источником вдохновения для разработки больших роботов, верно?

В качестве первого шага к созданию мощного и гибкого робота исследователи построили полумасштабного скелетно-мышечного робота, имитирующего структуру и механизм шеи жирафа на основе анатомических знаний, и воспроизвели часть его характеристик.

Устройство состоит из скелетного механизма, изготовленного с помощью 3D-принтера, механизма компенсации гравитации, имитирующего затылочную связку с использованием резинового материала и натяжителей, дублирующей системы управления мышцами с использованием тонких искусственных мышц и особого сустава с использованием резиновых дисков и имитирующих связок.

Роботизированная шея жирафа делает все возможное, чтобы имитировать структуру настоящей шеи жирафа с аналогичным расположением позвонков и сухожилий и тонкими пневматическими искусственными мышцами McKibben, обеспечивающими сокращающую силу — так же, как это делают настоящие мышцы. Это сложно, но обеспечивает значительную гибкость.

Авторы статьи отмечают, что жирафы могут использовать силу и гибкость своих шей при контакте друг с другом неразрушающим образом, чего не могут сделать обычные механические системы.

До сих пор исследователи не разработали машин или роботов, обладающих такими же характеристиками мощности и гибкости, как шея жирафа. Например, если два реальных промышленных крана будут драться, легко представить, что ущерб будет катастрофическим, в результате чего два крана сломаются. Сравните это с шеей настоящих жирафов, которая менее разрушительна и не делает странных вещей.

В любом случае, исследователи предполагают, что разработка роботизированной системы с практичным сочетанием мощности, гибкости и контроля может быть проще сделать с моделью шеи жирафа, чем с моделью хобота слона. Можно пожертвовать некоторой мягкостью и гибкостью и на самом деле заставить его работать таким образом, чтобы он мог прикладывать усилие, необходимое для использования в промышленных применениях.

Имя этого робота — «Робот с шеей жирафа №1». Хотя оно и не самое креативное, но предполагает, что за ним последуют и другие роботы. Судя по всему, следующим шагом будет увеличение мощности на несколько порядков за счет использования гидравлических, а не пневматических приводов.

«Это исследование направлено на применение этих превосходных характеристик шеи жирафа для разработки роботизированных механизмов. В частности, робототехники и зооанатомы объединили усилия для разработки мощного и гибкого длинного скелетно-мышечного робота, основанного на анатомии шеи жирафа. Прототип скелетно-мышечного робота приводится в действие с помощью тонких пневматических искусственных мышц McKibben, которые легко сгибаются. Результаты подтверждают координацию между мышцами и связками и адаптивность формы к внешней силе», — сообщили исследователи. 

Экспериментальные результаты указывают, что ученым удалось добиться от роботизированного аналога механизмов, которые могут обеспечить мощность и гибкость подобно таковым у жирафов. Учитывая, что эволюция создавала все лучшие инженерные решения с опережением на четыре миллиарда лет, ученым только и остается, что искать решения своих задач в живой природе.