Не требующий сборки гексапод зашагал сразу после окончания 3D-печати

Американские инженеры создали пневматического шестиногого робота из мягкого материала, в конструкции которого совсем нет электроники. За его движение отвечает пневматический четырехфазный осциллятор — устройство, состоящее из мембран и клапанов, управляющих воздушными потоками от единственного источника давления. Весь робот печатается целиком из термопластичного полиуретана за один раз на обычном 3D-принтере и сразу же готов к работе, достаточно подключить к нему баллон со сжатым углекислым газом. Результаты опубликованы в журнале Advanced Intelligent Systems.

Обычно считается, что роботы — это сложные устройства, состоящие из множества деталей, электромоторов и электронных компонентов. Однако в области мягкой робототехники есть направление, в рамках которого инженеры разрабатывают устройства без электроники и электромеханических компонентов. Например, группа инженеров под руководством Майкла Толли (Michael Tolley) из Калифорнийского университета в Сан-Диего представила в 2021 году прототип пневматического шагающего четырехногого робота, изготовленного полностью из мягких материалов. Его актуаторы, управляющие логические схемы и даже сенсор, меняющие направление движения робота при встрече с препятствием, работали исключительно на пневматике.

В перспективе роботы такого типа могут пригодиться в условиях, где применение электроники небезопасно — например, в среде с высоким уровнем радиации или в сильных магнитных полях, а также там, где существует риск воспламенения от искры, как на шахтах и химических предприятиях. При этом, несмотря на отказ от электронных компонентов, шагоход все же требовал долгой и кропотливой ручной сборки из множества силиконовых компонентов. Кроме того, применявшийся в прошлых работах инженеров для приведения роботов в движение пневматический осциллятор — устройство с клапанами и мембранами, перенаправляющее воздушные потоки, — мог генерировать только нечетное число выходных сигналов, с помощью которых было сложно реализовать симметричную походку робота с четным числом ног. Это приводило к неустойчивому и неэффективному движению — роботы скорее ползали, чем ходили.

В своей новой работе инженеры под руководством Толли нашли решение этих проблем. Основой робота стал четырехфазный пневматический осциллятор — устройство, генерирующее циклические сигналы давления, которые поочередно подаются на четыре выходных канала. Внутри него находятся мембраны, разделяющие корпус на три камеры, и два бистабильных механизма (с двумя устойчивыми состояниями), которые при определенном давлении периодически переключаются, перенаправляя воздушные потоки между выходами. Дополнительные клапаны фазовой задержки предотвращают залипание механизма в одном состоянии. Все это позволило реализовать четное число фаз (состояний, когда на определенный выходной канал подается воздух), и тем самым обеспечить симметричную устойчивую походку шагающего робота.

Используя этот осциллятор, разработчики создали шестиногого шагающего робота. Вся сложная структура робота вместе с осциаллятором и шестью ногами целиком печатается на 3D-принтере из термопластичного полиуретана за один проход, без необходимости последующей сборки. Каждая нога состоит из двух сегментов с пневматическими камерами, которые отвечают за горизонтальное и вертикальное отклонение. Четыре выходных порта осциллятора соединены с приводами ног через каналы внутри корпуса робота. С помощью такой схемы инженеры смогли реализовать триподную походку (tripod gait), аналогичную движению некоторых насекомых, когда три ноги из шести всегда находятся в контакте с поверхностью, обеспечивая устойчивость. Процесс печати робота целиком занимает около 58 часов на стандартном настольном FDM-принтере. Сразу после извлечения из принтера и подключения к источнику сжатого воздуха (баллончику с CO₂) робот начинает двигаться.

Инженеры провели серию экспериментов для проверки работоспособности робота. В лабораторных условиях робот ходил по ровной поверхности со скоростью около четырех сантиметров в секунду. Баллона с CO₂ массой 16 грамм хватало на 80 секунд работы. При питании от внешнего источника воздуха максимальная скорость достига семи сантиметров в секунду. Робот может двигаться и по пересеченной местности: в испытаниях он поднялся по 18-градусному склону, покрытому песком и камнями, и преодолел препятствия высотой до двух сантиметров. Кроме этого, робот смог преодолеть лужу воды на пляже, продемонстрировав свойства амфибии.

Также была изучена долговечность механизмов робота. При непрерывной работе под давлением клапан выдержал почти двадцать тысяч циклов до отказа, связанного с деформацией материала. Примечательно, что после десяти часов «отдыха» клапан восстановил форму и смог проработать еще 22 тысячи циклов. Использование альтернативного материала, термопластичного эластомера, позволило увеличить ресурс до 179 тысяч циклов.

Инженеры планируют значительно расширить возможности подобных пневматических роботов в будущем. У испытанных прототипов пока нет возможности поворачивать или взаимодействовать с окружающей средой, поэтому одной из главных задач станет добавление механизмов управления направлением движения и манипуляторов. Авторы отмечают, что использование баллона с углекислым газом в роли источника давления имеет невысокую автономность. В будущем они хотят установить химический генератор газа прямо на борту робота, — например, на основе сухого льда. Наконец, они планируют добавить возможность дистанционного управления, но для этого уже придется использовать электронные компоненты.

Эта группа инженеров разрабатывает не только пневматических, но и подводных роботов. В 2020 год они представили прототип робота-кальмара из мягких материалов, который для движения вперед создает реактивную водную строю, периодически сокращая и расширяя свой корпус.