Исследователи, вдохновлённые одним из самых любимых животных саванны, разработали решётчатую структуру для 3D-печати, которая обеспечивает более плавное движение роботов.
Команда из Швейцарской федеральной политехнической школы Лозанны (EPFL) воспроизвела скелетно-мышечную систему слонов, что позволило роботу выполнять сложные движения без типичной «робото-жёсткости».
Скелетно-мышечная система координирует работу мышц, сухожилий, связок и костей для создания плавных движений, что ранее учёным было сложно реализовать в роботизированных конструкциях.
«Мы использовали нашу программируемую решётчатую технику для создания робота-слона с мягким хоботом, который может скручиваться, изгибаться и поворачиваться, а также с более жёсткими тазобедренными, коленными и голеностопными суставами», — говорит постдокторант Цинхуа Гуань.
«Это показывает, что наш метод предлагает масштабируемое решение для проектирования беспрецедентно лёгких и адаптируемых роботов».
Для разработки этой технологии команда использовала решётчатую структуру, состоящую из отдельных ячеистых блоков, изготовленных из простого пеноматериала.
Решётка печатается на 3D-принтере с двумя основными типами ячеек: объёмно-центрированными кубическими (BCC) решётками и X-кубами. Метод команды также позволил им печатать гибридные ячейки, форма которых лежит в диапазоне между BCC и X-кубом.
«Этот подход обеспечивает непрерывное пространственное смешивание профилей жёсткости и позволяет создавать бесконечный спектр смешанных ячеистых блоков», — говорит соавтор и аспирант Бэньхуэй Дай.
«Он особенно подходит для воспроизведения структуры мышечных органов, таких как хобот слона».
У слонов, как и у людей, есть сочетание жёстких костей и рыхлых гибких мышц и жира. В то время как у человека более 600 мышц во всём теле, в хоботе слона их около 40 000, что обеспечивает огромную силу и ловкость.
Используя отдельные секции решётки, предназначенные для скручивающих, изгибающих и вращательных движений, робот также смог воспроизвести сложные действия хобота слона.
Команда смогла воссоздать движения слона, такие как скользящий плоский сустав, который встречается в мелких костях стопы, и одноосный коленный сустав.
«Как и у сот, соотношение прочности и веса решётки может быть очень высоким, что позволяет создавать очень лёгких и эффективных роботов», — объясняет доцент Джози Хьюз, возглавлявшая команду.
Частично эффективность решёток обусловлена тем, что положение каждой ячейки в решётке можно запрограммировать. Это означало, что ячейки можно было накладывать друг на друга для создания совершенно новых композиций с улучшенными механическими свойствами.
Конструкция решётки допускает около 4 миллионов возможных конфигураций с 4 наложенными друг на друга ячейками и более 75 миллионов — с 5 ячейками.
Мягкие роботы, которые спроектированы так, чтобы быть гибкими и подвижными, имеют множество применений в реальном мире, например, в сельском хозяйстве и зонах бедствий. В настоящее время их тестируют для использования в хирургии, чтобы обеспечить менее интенсивные и более точные операции.
Хьюз говорит, что их технология может открыть много интересных возможностей для будущих исследований в области мягких роботов.
«Структура из пеноматериала хорошо подходит для движения в жидкостях и даже предлагает потенциал для включения в структуру других материалов, таких как датчики, для обеспечения дополнительной интеллектуальности пен».
Технология представлена в исследовании, опубликованном в журнале Science Advances.