Память компьютера с пневматическим приводом помогает роботу управлять движениями

Инженеры Калифорнийского университета в Риверсайде летом 2021 года представили компьютерную память с пневматическим приводом, которую можно использовать для управления мягкими роботами. Нововведение преодолевает одно из самых больших препятствий на пути развития мягкой робототехники — фундаментальное несоответствие между пневматикой и электроникой. Свою работу исследователи опубликовали в журнале PLOS One. 

В научном материале говорится: «Мягкие роботы с пневматическим приводом имеют преимущества перед традиционными жесткими роботами во многих сферах применения. В частности их гибкие тела и мягкие воздушные движения делают их более подходящими для использования рядом с людьми и другими объектами, которые могут быть травмированы или повреждены традиционными роботами. Однако существующие системы для управления мягкими роботами в настоящее время требуют специального электромеханического оборудования (обычно соленоидных клапанов) для поддержания состояния срабатывания (расширенного или сжатого) каждого независимого привода». 

Пневматические мягкие роботы используют сжатый воздух для перемещения мягких, эластичных конечностей и захватов. Они намного лучше традиционных жестких роботов для выполнения деликатных задач. Также такие роботы безопаснее для людей. 

Однако существующие системы управления мягкими пневматическими роботами по-прежнему используют электронные клапаны и компьютеры для поддержания положения движущихся частей робота. Эти электронные компоненты значительно увеличивают стоимость, размер и мощность мягких роботов, что ограничивает их возможности. 

Чтобы продвинуть мягкую робототехнику в будущее, команда, возглавляемая доктором биоинженерии Шейном Хоангом, профессором биоинженерии Уильямом Гловером, профессором информатики Филиппом Бриском и профессором машиностроения Константиносом Каридисом, обратилась к прошлому. 

«Пневматическая логика» предшествовала электронным компьютерам и когда-то обеспечивала продвинутый уровень управления в самых разных продуктах — от термостатов и других компонентов климат-контроля до пианино в начале 1900-х годов. В пневматической логике воздух, а не электричество, проходит через цепи или каналы, а давление воздуха используется для обозначения включения/выключения или правды/лжи. В современных компьютерах эти логические состояния представлены кодами 1 и 0 для запуска или прекращения электрических зарядов. 

Пневматическим мягким роботам нужен способ запоминать и поддерживать положение своих движущихся частей. Исследователи поняли, что, если бы они могли создать пневматическую логическую «память» для мягкого робота, у них получилось бы устранить электронную память, которая в настоящее время используется для этой цели. 

Исследователи создали свою микросхему пневматической оперативной памяти (ОЗУ) с использованием микрожидкостных клапанов вместо электронных транзисторов. Микрожидкостные клапаны изначально были разработаны для управления потоком жидкости на соответствующих чипах, но они также могут управлять потоком воздуха. 

Клапаны остаются закрытыми от перепада давления даже при отключении от линии подачи воздуха, создавая задержанные перепады давления, которые функционируют как память и поддерживают состояния исполнительных механизмов робота. Плотные массивы этих клапанов могут выполнять сложные операции и сокращать использование дорогостоящего, громоздкого и энергоемкого электронного оборудования, обычно применяемого для управления пневматическими роботами. 

После модификации микрожидкостных клапанов для работы с большими расходами воздуха команда создала 8-битный чип пневматического RAM (запоминающее устройство с произвольным доступом), способный управлять более крупными и быстро движущимися мягкими роботами, и включила его в пару резиновых рук, напечатанных на 3D-принтере. Пневматическая ОЗУ использует воздух атмосферного давления для представления значения «0» или «ложь» и вакуум для представления значения «1» или «правда». Мягкие пальцы робота выдвигаются при атмосферном давлении и сжимаются при подключении к вакууму. 

Варьируя комбинации атмосферного давления и вакуума в каналах на чипе RAM, исследователи смогли заставить робота воспроизводить ноты, аккорды и даже целую песню «Mary Had a Little Lamb» на фортепиано. 

Теоретически эту систему можно использовать для управления другими роботами без какого-либо электронного оборудования и только с аккумуляторным насосом для создания вакуума. Исследователи отмечают, что без положительного давления где-либо в системе — только при нормальном атмосферном давлении воздуха — нет риска случайного повышения давления и серьезного отказа робота или его системы управления. 

Роботы, использующие эту технологию, будут особенно безопасными для деликатного использования на людях или рядом с ними, например, в носимых устройствах для младенцев с двигательными нарушениями. 

Конечно, такая технология далека от повседневного использования. Помимо необходимых улучшений в сложности и скорости, роботу потребуются программные версии процессоров и других компонентов, чтобы полностью исключить необходимость в жесткой электронике. Однако цель ясна. Пневматическая память может по крайней мере уменьшить потребность в микросхемах в мягких роботах и указывает на будущее полностью гибкой робототехники, которая не причинит вам вреда в случае столкновения.