Інженери Стенфорда створили роботизовану руку із захопленням у стилі гекона
Стенфордський університет за роки досяг значного прогресу зі своєю роботизованою рукою, натхненною гекконами. У травні 2021 року версія «захоплення в стилі гекконів» навіть потрапила на Міжнародну космічну станцію, щоб перевірити її здатність виконувати такі завдання, як збирання сміття та фіксація супутників.
Багато роботизованих рук і затискачів мають спільного ворога — «проблему помідора із сімейної реліквії», як кажуть учені. Можливо, ви бачили, як роботизований захват спритно бере яйце або добре справляється з баскетбольним м'ячем, але, на відміну від людських рук, один захват навряд чи зможе робити і те, і інше, а ключове завдання залишається прихованим посередині.
«Ви побачите, як руки робота роблять потужний захват і точний захват, а потім мається на увазі, що вони можуть робити все, що між ними. Ми хотіли вирішити, як створити маніпулятори, які водночас є спритними і сильними»
Результатом цієї мети стала «farmHand» — роботизована рука, розроблена інженерами Руотоло та Дейном Брауером (аспірант лабораторії біоміметики та спритних маніпуляцій у Стенфорді, також відомої як «Ферма») і детально описана в статті, опублікованій у Science Robotics. У своєму тестуванні дослідники продемонстрували, що farmHand може обробляти широкий спектр предметів, включно із сирими яйцями, грона винограду, тарілки, глечики з рідиною, баскетбольні м'ячі й навіть кутову шліфувальну машину.
FarmHand отримує користь від двох видів біологічного натхнення. Тоді як багатосуглобові пальці нагадують людську руку — хоча й чотирипалу — пальці покриті клеєм, схожим на гекконячий. Цей чіпкий, але не липкий матеріал заснований на структурі пальців ніг гекона і був розроблений за останнє десятиліття лабораторією біоміметики та спритних маніпуляцій під керівництвом Марка Каткоскі — професора Школи інженерії, який також є старшим автором цього дослідження.
Використання гекконового клею на багатопалому антропоморфному захваті вперше було проблемою, що вимагала особливої уваги до сухожиль, які керують пальцями farmHand, і конструкції подушечок пальців під клеєм.
Як і пальці ніг гекона, гекконів клей забезпечує міцне утримання за допомогою мікроскопічних пластинок. За повного контакту з поверхнею ці стулки створюють силу Ван-дер-Ваальса — слабку міжмолекулярну силу, яка виникає через тонкі відмінності в розташуванні електронів на зовнішньому боці молекул. Унаслідок цього клей може сильно стискатися, але для цього потрібне невелике зусилля. Ще один бонус: на дотик він не липкий і не залишає слідів.
«Перші застосування гекконового клею були пов'язані з лазінням роботів, лазінням людей або захопленням дуже великих і гладких об'єктів у космосі. Але ми завжди думали використати його для практичніших застосувань. Проблема в тому, що гекконів клей насправді дуже вибагливий»
Суть у тому, що гекконів клей має певним чином з'єднуватися з поверхнею, щоб активувати силу Ван-дер-Ваальса. Це досить легко контролювати, коли він плавно наноситься на плоску поверхню, але набагато важче, коли для захоплення доводиться використовувати кілька липких частин, що контактують з об'єктом під різними кутами, наприклад, за допомогою farmHand.
Подушечки для пальців farmHand, розташовані нижче ділянок із клеєм, допомагають вирішити цю проблему. Вони зроблені зі складної ребристої конструкції, яка згинається з невеликим зусиллям. Незалежно від місця або кута контакту ребра постійно згинаються, щоб забезпечити рівні зусилля на липких подушечках і запобігти передчасному ковзанню будь-якої з них.
«Якщо ви зсунете ці ребра, згин призведе до однакової сили, незалежно від того, з чого ви почнете. Це проста фізична поведінка, яку можна застосувати навіть поза робототехнікою, наприклад, як протектор взуття або шини для позашляховиків»
Сухожилля руки також мають вирішальне значення, тому що вони дозволяють надмірно розтягувати стиснення. Тоді як багато роботизованих рук і затискачів стискають предмети у формі літери «C», ніби піднімають щось кінчиками пальців, farmHand стискає подушечку кінчиком пальця, притискаючи її до іншої подушечки. Це дає клею більшу площу поверхні для роботи.
Отримати правильний дизайн було особливо складно, тому що існуюче комп'ютерне моделювання ускладнює прогнозування реальної продуктивності з м'якими об'єктами — ще один фактор у проблемі роботизованих захватів. Але дослідники отримали величезну користь від можливості 3D-друку та тестування багатьох твердих і м'яких пластикових компонентів у відносно швидких циклах. Вони заходять так далеко, що припускають, що їхній успіх, можливо, був би неможливим — або, принаймні, набагато повільнішим — лише п'ять років тому.
Подальші покращення farmHand можуть з'явитися у вигляді функцій зворотного зв'язку, які допоможуть користувачам зрозуміти, як він захоплює, і як можна захопити краще, коли використовується рука. Дослідники також розглядають комерційне застосування своєї роботи.
