Инженеры Стэнфорда разработали роботизированную руку с захватом в стиле геккона
Стэнфордский университет за годы добился большого прогресса с помощью своей роботизированной руки, вдохновленной гекконами. В мае 2021 года версия «захвата в стиле гекконов» даже попала на Международную космическую станцию, чтобы проверить его способность выполнять такие задачи, как сбор мусора и фиксация спутников.
У огромного количества роботизированных рук и зажимов есть общий враг — «проблема помидора из семейной реликвии», как говорят ученые. Возможно, вы видели, как роботизированный захват ловко берет яйцо или хорошо ладит с баскетбольным мячом, но, в отличие от человеческих рук, один захват вряд ли сможет делать и то, и другое, а ключевая задача остается скрытой в середине.
«Вы увидите, как руки робота делают мощный захват и точный захват, а затем подразумевают, что они могут делать все, что между ними. Мы хотели решить, как создать манипуляторов, которые одновременно являются ловкими и сильными»
Результатом этой цели стала «farmHand» — роботизированная рука, разработанная инженерами Руотоло и Дейном Брауэром (аспирант лаборатории биомиметики и ловких манипуляций в Стэнфорде, также известной как «Ферма») и подробно описанная в статье, опубликованной в Science Robotics. В своем тестировании исследователи продемонстрировали, что farmHand может обрабатывать широкий спектр предметов, включая сырые яйца, грозди винограда, тарелки, кувшины с жидкостью, баскетбольные мячи и даже угловую шлифовальную машину.
FarmHand извлекает выгоду из двух видов биологического вдохновения. В то время как многосуставные пальцы напоминают человеческую руку — хотя и четырехпалую — пальцы покрыты клеем, напоминающим гекконов. Этот цепкий, но не липкий материал основан на структуре пальцев ног геккона и был разработан за последнее десятилетие лабораторией биомиметики и ловких манипуляций под руководством Марка Каткоски — профессора в Школе инженерии, который также является старшим автором этого исследования.
Использование геккоклея на многопалом антропоморфном захвате впервые было проблемой, требующей особого внимания к сухожилиям, управляющим пальцами farmHand, и конструкции подушечек пальцев под клеем.
Как и пальцы ног геккона, клей геккона обеспечивает прочную фиксацию с помощью микроскопических лоскутов. При полном контакте с поверхностью эти створки создают силу Ван-дер-Ваальса — слабую межмолекулярную силу, которая возникает из-за тонких различий в положении электронов на внешней стороне молекул. В результате клей может сильно сжиматься, но для этого требуется небольшое усилие. Еще один бонус: он не липкий на ощупь и не оставляет следов.
«Первые применения клея гекконов были связаны с лазанием роботов, лазанием людей или захватом очень больших и гладких объектов в космосе. Но мы всегда думали использовать его для более практичных применений. Проблема в том, что клей гекконов на самом деле очень привередливый»
Суть в том, что клей гекконов должен определенным образом соединяться с поверхностью, чтобы активировать силу Ван-дер-Ваальса. Это достаточно легко контролировать, когда он плавно наносится на плоскую поверхность, но гораздо труднее, когда для захвата приходится использовать несколько липких частей, контактирующих с объектом под разными углами, например, с помощью farmHand.
Подушечки для пальцев farmHand, расположенные ниже участков с клеем, помогают решить эту проблему. Они сделаны из складной ребристой конструкции, которая изгибается с небольшим усилием. Независимо от местоположения или угла контакта ребра постоянно изгибаются, чтобы обеспечить равные усилия на липких подушках и предотвратить преждевременное соскальзывание любой из них.
«Если вы сдвинете эти ребра, изгиб приведет к одинаковой силе, независимо от того, с чего вы начнете. Это простое физическое поведение, которое можно применить даже в пространствах за пределами робототехники, например, в качестве протектора обуви или вездеходных шин»
Сухожилия руки также имеют решающее значение, потому что они позволяют чрезмерно растягивать сжатие. В то время как многие роботизированные руки и зажимы сжимают объекты в форме буквы «C», будто поднимают что-то кончиками пальцев, farmHand сжимает подушечку кончиком пальцев, прижимая ее к другой подушечке. Это дает клею большую площадь поверхности для работы.
Получить правильный дизайн было особенно сложно, потому что существующее компьютерное моделирование затрудняет прогнозирование реальной производительности с мягкими объектами — еще один фактор в проблеме роботизированных захватов. Но исследователи получили огромную пользу от возможности 3D-печати и тестирования многих твердых и мягких пластиковых компонентов в относительно быстрых циклах. Они заходят так далеко, что предполагают, что их успех, возможно, был бы невозможен — или, по крайней мере, намного медленнее — всего пять лет назад.
Дальнейшие улучшения в farmHand могут появиться в виде функций обратной связи, которые помогут пользователям понять, как он захватывает и как можно лучше захватить, когда используется рука. Исследователи также рассматривают коммерческое применение своей работы.
