Пам'ять комп'ютера з пневматичним приводом допомагає роботу керувати рухами
Інженери Каліфорнійського університету в Ріверсайді влітку 2021 року представили комп'ютерну пам'ять з пневматичним приводом, яку можна використовувати для керування м'якими роботами. Нововведення долає одну з найбільших перешкод на шляху розвитку м'якої робототехніки — фундаментальну невідповідність між пневматикою та електронікою. Свою роботу дослідники опублікували в журналі PLOS One.
У науковому матеріалі сказано: «М'які роботи з пневматичним приводом мають переваги перед традиційними жорсткими роботами в багатьох сферах застосування. Зокрема, їхні гнучкі тіла та м'які повітряні рухи роблять їх більш придатними для використання поруч із людьми та іншими об'єктами, які можуть бути травмовані або пошкоджені традиційними роботами. Однак наявні системи для керування м'якими роботами наразі потребують спеціального електромеханічного обладнання (зазвичай соленоїдних клапанів) для підтримання стану спрацьовування (розширеного або стисненого) кожного незалежного приводу».
Пневматичні м'які роботи використовують стиснене повітря для переміщення м'яких, еластичних кінцівок і захватів. Вони набагато краще за традиційних жорстких роботів виконують делікатні завдання. Також такі роботи безпечніші для людей.
Однак наявні системи керування м'якими пневматичними роботами досі використовують електронні клапани та комп'ютери для підтримання положення рухомих частин робота. Ці електронні компоненти суттєво збільшують вартість, розмір і споживану потужність м'яких роботів, що обмежує їхні можливості.
Щоб просунути м'яку робототехніку в майбутнє, команда, яку очолив доктор біоінженерії Шейн Гоанг, професор біоінженерії Вільям Гловер, професор інформатики Філіп Бріск і професор машинобудування Константінос Каридіс, звернулася до минулого.
«Пневматична логіка» передувала електронним комп'ютерам і колись забезпечувала просунутий рівень керування в найрізноманітніших продуктах — від термостатів та інших компонентів кліматконтролю до піаніно на початку 1900-х років. У пневматичній логіці повітря, а не електрика, проходить через ланцюги або канали, а тиск повітря використовується для позначення увімкнення/вимкнення або правди/брехні. У сучасних комп'ютерах ці логічні стани представлені кодами 1 і 0 для запуску або припинення електричних зарядів.
М'яким пневматичним роботам потрібен спосіб запам'ятовувати і підтримувати положення своїх рухомих частин. Дослідники зрозуміли, що якщо б вони могли створити пневматичну логічну «пам'ять» для м'якого робота, то змогли б усунути електронну пам'ять, яка наразі використовується для цієї мети.
Дослідники створили свій мікрочип пневматичної оперативної пам'яті (ОЗП) з використанням мікрорідинних клапанів замість електронних транзисторів. Мікрорідинні клапани спочатку були розроблені для керування потоком рідини на відповідних чипах, але вони також можуть керувати потоком повітря.
Клапани залишаються закритими через перепад тиску навіть після відключення від лінії подачі повітря, створюючи затримані перепади тиску, які функціонують як пам'ять і підтримують стани виконавчих механізмів робота. Щільні масиви цих клапанів можуть виконувати складні операції та скорочувати використання дорогого, громіздкого й енергоємного електронного обладнання, яке зазвичай застосовується для керування пневматичними роботами.
Після модифікації мікрорідинних клапанів для роботи з великими витратами повітря команда створила 8-бітний чип пневматичної RAM (запам'ятовувального пристрою з довільним доступом), здатний керувати більшими й швидко рухомими м'якими роботами, і вбудувала його в пару гумових рук, надрукованих на 3D-принтері. Пневматична ОЗП використовує повітря атмосферного тиску для представлення значення «0» або «брехня» і вакуум для представлення значення «1» або «правда». М'які пальці робота висуваються за атмосферного тиску і стискаються при підключенні до вакууму.
Варіюючи комбінації атмосферного тиску та вакууму в каналах на чипі RAM, дослідники змогли змусити робота відтворювати ноти, акорди і навіть цілу пісню «Mary Had a Little Lamb» на фортепіано.
Теоретично цю систему можна використовувати для керування іншими роботами без будь-якого електронного обладнання, лише з акумуляторним насосом для створення вакууму. Дослідники відзначають, що без позитивного тиску десь у системі — лише при нормальному атмосферному тиску повітря — немає ризику випадкового підвищення тиску та серйозної поломки робота або його системи керування.
Роботи, що використовують цю технологію, будуть особливо безпечними для делікатного використання на людях або поруч із ними, наприклад, у носимих пристроях для немовлят з руховими порушеннями.
Звісно, така технологія далека від повсякденного використання. Окрім необхідних удосконалень у складності та швидкості, роботу знадобляться програмні версії процесорів та інших компонентів, щоб повністю виключити потребу в жорсткій електроніці. Однак мета зрозуміла. Пневматична пам'ять може принаймні зменшити потребу в мікросхемах у м'яких роботах і вказує на майбутнє повністю гнучкої робототехніки, яка не завдасть вам шкоди у разі зіткнення.
