Исследователи разработали мягкую роботизированную руку, способную выполнять сложные задачи, такие как обход препятствий или удар по мячу. Рука управляется дистанционно с помощью лазерных лучей без какой-либо бортовой электроники или проводки.
Это исследование может помочь в разработке новых способов управления имплантируемыми хирургическими устройствами или промышленными машинами, которым необходимо обращаться с деликатными объектами.
«Наш материал изгибается к лазерному свету, как стебель цветка к солнечному свету», — говорится в одном из высказываний.
В исследовании, доказывающем концепцию
В исследовании, объединяющем интеллектуальные материалы, машинное обучение и оптическую систему управления, группа исследователей из Университета Райса под руководством учёного-материаловеда Ханью Чжу использовала устройство для создания световых узоров, чтобы точно вызвать движение в роботизированной руке, изготовленной из жидкого кристаллоэlastomer на основе азобензола — типа полимера, реагирующего на свет.
Согласно исследованию, опубликованному в журнале Advanced Intelligent Systems, новая роботизированная система включает в себя нейронную сеть, обученную прогнозировать точный световой узор, необходимый для создания определённых движений руки. Это упрощает выполнение сложных задач для робота без необходимости сложного ввода данных от оператора.
«Это была первая демонстрация перестраиваемого в реальном времени автоматизированного управления светочувствительным материалом для мягкой роботизированной руки», — говорит Элизабет Блэкер, аспирантка, которая является первым автором исследования.
Мягкие роботы: новые возможности
Обычные роботы обычно имеют жёсткие конструкции с мобильными элементами, такими как шарниры, колёса или захваты, которые обеспечивают заранее определённый, относительно ограниченный диапазон движений. Мягкие роботы открыли новые области применения в таких контекстах, как медицина, где требуется безопасное взаимодействие с деликатными объектами.
Так называемые континуумные роботы — это тип мягкого робота, который обходится без ограничений мобильности, обеспечивая адаптивное движение с значительно расширенной степенью свободы.
«Основная проблема при использовании мягких материалов для роботов заключается в том, что они либо подключены к сети, либо имеют очень простые, заранее определённые функции», — говорит Чжу, доцент кафедры материаловедения и наноинженерии.
«Создание дистанционно управляемых и произвольно программируемых мягких роботов требует уникального сочетания опыта в области разработки материалов, проектирования оптических систем и возможностей машинного обучения. Наша исследовательская группа была уникально подготовлена к выполнению этой междисциплинарной работы».
Команда создала новую вариацию эластомера, который сжимается под действием синего лазерного света, а затем расслабляется и восстанавливается в темноте. Эта особенность, известная как быстрое время релаксации, делает возможным управление в реальном времени. В отличие от других светочувствительных материалов, которым требуется вредное ультрафиолетовое излучение или которые требуют минут для сброса, этот работает с более безопасными длинными волнами и реагирует в течение нескольких секунд.
«Когда мы направляем лазер на одну сторону материала, сжатие заставляет материал изгибаться в этом направлении», — говорит Блэкер. «Наш материал изгибается к лазерному свету, как стебель цветка к солнечному свету».
Управление материалом
Для управления материалом исследователи использовали пространственный модулятор света, чтобы разделить один лазерный луч на несколько лучей, каждый из которых направлен на разные части роботизированной руки. Лучи можно включать и выключать, регулировать их интенсивность, что позволяет руке сгибаться или сокращаться в любой заданной точке, подобно щупальцам осьминога. Этот метод в принципе может создать робота с практически бесконечной степенью свободы — далеко за пределами возможностей традиционных роботов с неподвижными соединениями.
«Новым здесь является использование светового узора для достижения сложных изменений формы», — говорит Рафаэль Вердузко, профессор и заместитель заведующего кафедрой химической и биомолекулярной инженерии, а также профессор материаловедения и наноинженерии.
«В предыдущих работах материал сам по себе был запрограммирован на изменение формы одним способом, но здесь материал может изменяться разными способами в зависимости от узора лазерных лучей».
Чтобы обучить такую многопараметрическую руку, команда использовала небольшое количество комбинаций настроек освещения и записала, как роботизированная рука деформировалась в каждом случае, используя данные для обучения свёрточной нейронной сети — типа искусственного интеллекта, используемого для распознавания изображений. Затем модель смогла вывести точный световой узор, необходимый для создания желаемой формы, например, сгибания или движения по кругу.
Текущий прототип плоский и движется в двух измерениях, но будущие версии могут изгибаться в трёх измерениях с дополнительными датчиками и камерами.
«Это шаг к созданию более безопасной и функциональной робототехники для различных приложений — от имплантируемых биомедицинских устройств до промышленных роботов, работающих с мягкими товарами», — говорит Блэкер.
Исследование было поддержано Национальным научным фондом, Фондом Уэлча и Управлением исследований армии США. Все мнения, выраженные в этом пресс-релизе, принадлежат авторам и не обязательно отражают политику и взгляды финансирующих организаций.
Источник: Университет Райса.