Сила і гнучкість шиї жирафа надихнули на створення нового робота в Японії

Коли ми думаємо про гнучкість роботів, найкращі приклади зазвичай можна знайти в м'яких роботах, що імітують щупальця восьминога або хобот слона, які мають деякі унікальні можливості. Але більшість тварин певною мірою м'які й гнучкі, як правило, у поєднанні з жорсткою внутрішньою структурою. 

Це складна система, хоча й з деякими значними перевагами в потужності та керуванні. Дослідники з Токійського технологічного інституту експериментували з імітацією того, що, можливо, є одним із найвражаючих поєднань гнучкості й сили у тваринному світі — шиї жирафа. 

Поки що робота має дослідницький характер і має лише допомогти знайти способи перенести анатомію справжньої тварини на техніку, проте роботизована шия вже вміє рухатися подібно до свого прототипу і навіть адаптуватися до прикладеної сили (прикладеної руками інженерів). Цей прототип ще далекий від усього, що вміють живі жирафи, однак інженери планують збільшувати його гнучкість і витривалість.

«Шия жирафа має чудові характеристики, які можуть стати хорошою альтернативою для конструювання великого роботизованого механізму. Наприклад, шия може швидко рухатися, коли жирафи б'ють один одного по шиях. Крім того, шия жирафа допомагає запобігати ударам і адаптується до форми та твердості шиї супротивника. Натомість звичайний роботизований механізм обмежений у своїх можливостях для досягнення таких характеристик потужності й гнучкості — тобто бути потужним, але при цьому мати стійкість до ударів, а також кінематичну й динамічну адаптивність до супротивника», — йдеться в дослідженні. 

Шиї жирафів можуть важити до 150 кілограмів і досягати 2 метрів завдовжки, але в ході еволюції вони стали гнучкими й сильними не лише для того, щоб дістатися до смачного високорослого листя, а й тому, що жирафи-самці б'ються одне з одним шиями, інколи до смерті. Що може бути кращим джерелом натхнення для розробки великих роботів, чи не так?

Як перший крок до створення потужного й гнучкого робота дослідники побудували напівмасштабного скелетно-м'язового робота, що імітує структуру й механізм шиї жирафа на основі анатомічних знань, і відтворили частину його характеристик.

Пристрій складається зі скелетного механізму, виготовленого за допомогою 3D-принтера, механізму компенсації гравітації, що імітує потиличну зв'язку з використанням гумового матеріалу та натягувачів, дублюючої системи керування м'язами з використанням тонких штучних м'язів і особливого суглоба з використанням гумових дисків та імітуючих зв'язок.

Роботизована шия жирафа робить усе можливе, щоб імітувати структуру справжньої шиї жирафа з подібним розташуванням хребців і сухожиль та тонкими пневматичними штучними м'язами McKibben, що забезпечують скорочувальну силу — так само, як це роблять справжні м'язи. Це складно, але забезпечує значну гнучкість.

Автори статті відзначають, що жирафи можуть використовувати силу та гнучкість своїх ший під час контакту одне з одним без руйнування, чого не можуть робити звичайні механічні системи.

Досі дослідники не розробили машин чи роботів, які мають такі самі характеристики потужності й гнучкості, як шия жирафа. Наприклад, якби два справжні промислові крани почали битися, легко уявити, що збитки були б катастрофічними, і обидва крани зламалися б. Порівняйте це зі шиєю справжніх жирафів, яка менш руйнівна і не робить дивних речей.

У будь-якому разі дослідники припускають, що розробити роботизовану систему з практичним поєднанням потужності, гнучкості та контролю може бути простіше з моделлю шиї жирафа, ніж з моделлю хобота слона. Можна пожертвувати деякою м'якістю та гнучкістю і таки змусити його працювати так, щоб він міг прикладати зусилля, необхідні для промислового застосування.

Назва цього робота — «Робот із шиєю жирафа №1». Хоча вона й не найкреативніша, але передбачає, що за ним підуть і інші роботи. Схоже, наступним кроком буде збільшення потужності на кілька порядків за рахунок використання гідравлічних, а не пневматичних приводів.

«Це дослідження спрямоване на застосування цих чудових характеристик шиї жирафа для розробки роботизованих механізмів. Зокрема, робототехніки та зооанатоми об'єднали зусилля для розробки потужного й гнучкого довгого скелетно-м'язового робота, заснованого на анатомії шиї жирафа. Прототип скелетно-м'язового робота приводиться в дію за допомогою тонких пневматичних штучних м'язів McKibben, які легко згинаються. Результати підтверджують координацію між м'язами й зв'язками та адаптивність форми до зовнішньої сили», — повідомили дослідники. 

Експериментальні результати вказують, що вченим вдалося досягти від роботизованого аналога механізмів, які можуть забезпечити потужність і гнучкість, подібні до жирафячих. Враховуючи, що еволюція створювала всі найкращі інженерні рішення з випередженням у чотири мільярди років, вченим залишається лише шукати рішення своїх завдань у живій природі.