Робоулитки на гусеницах объединились в рой

Инженеры из Китая разработали похожих на улиток роботов, которые способны объединяться в рой. Каждая робоулитка оснащена гусеницами и может перемещаться по пересеченной местности, а при встрече с преградами, которые невозможно преодолеть поодиночке, объединяется с другими роботами в разнообразные структуры, например, в мост, или более крупного робота. Каждая робоулитка имеет постоянные магниты, встроенные в гусеницы, и вакуумную присоску, с помощью которых они могут передвигаться и закрепляться на раковинах друг друга. Помимо структур, помогающих преодолеть сложные препятствия, роботы могут собраться в манипулятор для взаимодействия с окружающими предметами. Статья опубликована в журнале Nature Communication.

Объединение роботов в отряд из множества единиц, действующих как единое целое, зачастую позволяет выполнять задачи, с которыми бы роботы не справились поодиночке. К примеру, рой дронов может обследовать существенно большую территорию во время поисково-спасательной операции, чем один дрон. А флот подводных роботов может эффективно исследовать и картографировать большие подводные области, такие как коралловые рифы, или провести мониторинг состояния водной среды, собрав большой объем данных за короткое время.

На сегодняшний день наиболее изучены возможности практического применения воздушных и водных роев роботов. Они обладают высокой свободой перемещения в трехмерном пространстве и с легкостью преодолевают встречающиеся на пути препятствия. В отличие от них, большинство существующих наземных роевых роботов были созданы для работы на плоской поверхности в контролируемых лабораторных условиях. При этом для эффективной работы вне помещений составляющие рой роботы должны уметь действовать в неструктурированной среде, двигаться по различным типам поверхностей и преодолевать встречающиеся на пути препятствия поодиночке и вместе. В последнем случае роботам может помочь соединение в трехмерные структуры.

Прототип таких роботов создали инженеры под руководством Тиня Лунь Лама (Tin Lun Lam) из Китайского университета Гонконга в Шэньчжэне, вдохновившись особенностями строения раковинами улиток и их способностью прикрепляться к поверхностям. Разработанный инженерами робот-улитка состоит из двух основных частей: ферромагнитной сферической оболочки диаметров 120 миллиметров и двигательного механизма с двумя режимами действия — свободным перемещением и жестким креплением.

Для перемещения в свободном режиме робоулитка использует две полимерные гусеницы с встроенными постоянными магнитами. Они позволяют роботу свободно ездить по металлической сферической оболочке раковины другой робоулитки. В этом режиме робот имеет три степени свободы, однако прочность соединения между роботами сравнительно невелика — как правило, магнитные гусеницы могут удержать только одного робота на поверхности другого.

В случае, если требуется соединение из нескольких роботов, робоулитка активирует второй режим. В нем используется выдвижная вакуумная присоска, расположенная в пространстве между гусеницами. В таком виде движение робота становится ограниченным: он может только поворачиваться вокруг вертикальной оси, используя для этого механизм с червячной передачей, расположенный на присоске, а также свои гусеницы. Эксперименты показали, что силы удержания отдельного робота хватает, чтобы сформировать горизонтальную консоль из трех роботов.

В ходе испытаний инженеры продемонстрировали способность роя преодолевать препятствия, недоступные для одиночных роботов. Например, шесть робоулиток успешно преодолели каменную ступеньку высотой в полтора раза больше высоты одной робоулитки. Для этого первые три робота выстроились в ряд вдоль края выступа, обеспечивая поперечную устойчивость конструкции. Затем к ним присоединился четвертый робот — для продольной устойчивости конструкции. Пятый робот забрался на образовавшееся основание и прислонился к ступеньке. Наконец, шестой робот залез на основание, сформированное первыми пятью роботами, и заехал по ним на вершину ступени.

В ходе другого испытания рой роботов преодолел участок, вымощенный булыжником, который оказался слишком труднопроходим для одного робота. Для этого семь робоулиток собрались в одного крупного трехногого робота, которому удалось проехать по неровной поверхности. В третьем эксперименте восемь роботов-улиток смогли построить мост через канаву шириной около 30 сантиметров, по которому другие роботы переехали на противоположную сторону препятствия. Наконец, роботы способны собраться в конструкцию, напоминающую роборуку с клешней. Такой манипулятор, составленный из отдельных робоулиток, действующих коллективно, способен захватывать и перемещать предметы.

В дальнейшем разработчики планируют повысить надежность механизма соединения роботов между собой, особенно в отношении их устойчивости к воздействию внешних сил. Это позволит расширить количество типов роботов, в которые может собираться рой, особенно учитывая разнообразие возможных соединений. Кроме этого, планируется создать более совершенные алгоритмы управления роем, а также стратегии для автономного принятия решений.

Рой роботов может пригодиться и в исследованиях других планет. Так, NASA планирует использовать рой подводных роботов для изучения подледного океана на Европе, спутнике Юпитера. По проекту SWIM (Sensing With Independent Micro-Swimmers) предполагается, что несколько десятков небольших клиновидных микророботов длиной около 12 сантиметров, способных поддерживать связь с помощью ультразвука, будут доставлены с ледяной поверхности с помощью криобота, которы пробьется сквозь кору, расплавив лед. Оказавшись в воде, роботы займутся анализом ее свойств, таких как температура, соленость, уровень кислотности и давление. Но главной их задачей станет поиск биомаркеров.