Ранее в этом блоге я затрагивал тему реконфигурируемых роботов (статья «Сложить и расправить»). С разработкой модульных роботов мне довелось познакомиться ещё около четырёх лет назад, до прихода на Хабр — в тот период, когда я работал в бывшем СПИИРАН в лаборатории автономных робототехнических систем под руководством Антона Савельева и под непосредственным началом Никиты Павлюка. Именно тогда, под большим впечатлением от наших исследований (я помогал ребятам разбираться в англоязычных источниках, сокращать, формулировать, переводить) я пересмотрел и переосмыслил франшизу о «Чужих», впервые задумавшись, в какой степени ксеноморфы из этой истории подобны бионическим роботам. Предположу, что в финале второй части и особенно в битве Рипли с маткой режиссёр вполне осознанно сравнивал степени свободы и технические возможности традиционного робота‑погрузчика и гибкого бионического робота. Из месяца в месяц откладывая эту тему, теперь я, наконец, хочу разобрать физические возможности и тонкости производства гибких мягких роботов. Такие конструкции уже начинают называть «флекзоскелетами».

С середины прошлого века кинематика и динамика промышленных роботов, а также управление ими подробно изучались при допущении, что звенья роботов можно смоделировать при помощи механики жёсткого тела. Дело в том, что в те годы основной разновидностью являлись роборуки‑манипуляторы, применявшиеся при конвейерной сборке, и при эксплуатации таких роботов было принципиально важно исключить неточности позиционирования, связанные с эластичными отклонениями и вибрацией. У жёстких роботов достаточно было установить в сочленениях и на приводных валах угловые энкодеры, позволяющие оценить позицию рабочего органа чисто геометрическими методами в стационарных декартовых координатах. Но такой подход не слишком удобен, если манипулятор состоит из множества мелких деталей, и их случайные отклонения игнорировать уже нельзя. Манипуляторы с такими мелкими деталями тем более востребованы, чем более тонкие и легковесные детали собираются на конвейере, чем быстрее становится технологический процесс.

Моделирование мелких манипуляторов позволило открыть некоторые существенные физические принципы, диктуемые гибкостью. Гибкость субструктур требовалось не только контролировать, но и обратить себе на пользу. Мелкий манипулятор требуется оснащать сенсорами, позволяющими машине точнее оценивать собственное положение и состояние окружающей среды. При использовании датчиков в целом лучше контролируется пространство, в котором действует робот, но управление роботом — усложняется. В конструкции манипулятора должны учитываться соотношения между полезной массой и максимальной подвижной массой, исполнительные механизмы должны быть компактнее, потребляемая энергия ниже. Кроме того, необходимо снизить хрупкость таких механизмов, то есть, перейти от жёстких элементов к мягким. Особенно важно уравновесить мягкость и жёсткость захватов, так как этот исполнительный механизм не должен повреждать предметы, которыми оперирует, но при этом должен крепко и точно их фиксировать, но при этом не слишком быстро изнашиваться.

Тем не менее, разработка гибких и мягких модулей стала по‑настоящему актуальна вместе с развитием мобильных роботов, функционал которых значительно зависит от точности и набора сенсоров, а также предполагает широкое разнообразие движений и вариантов перемещения. Дополнительным фактором, подстегнувшим нынешний расцвет гибких роботов, стало развитие 3D‑печати и в особенности технологий FDM (моделирование методом послойного наплавления), о которых я также упомяну ниже.

FDM и бионика

Все вышеперечисленные факторы располагают к биомеханическим решениям — заимствованию морфологии и биомеханики из живой природы. В данном случае особый интерес представляют членистоногие, обладающие разнообразными вариантами локомоции и, что наиболее важно — мелкой моторикой, важность которой я отмечал выше. Бионика уже позволила разработать и сконструировать летающих, плавающих и шагающих роботов. Определяющая анатомическая характеристика насекомых (и всего типа членистоногих) — экзоскелет, обеспечивающий животному и структурную поддержку, и гибкость сочленений, и защиту мягких органов. Кроме того, именно в экзоскелет «встроены» органы чувств, которые в контексте этой статьи подобны сенсорам, захватам и присоскам.

У всех насекомых экзоскелет представляет собой цельный «чехол», охватывающий всю особь. Экзоскелет насекомых состоит преимущественно из двух веществ: плотного белкового хитина и вплетённых в него кутикулярных белков. Именно кутикула — это гибкая составляющая экзоскелета насекомых, дополняющая прочный хитин. Различные элементы экзоскелета у насекомых значительно отличаются по гибкости, градация жёсткости и других механических свойств у органов насекомого образует континуум: сочленения, щитки, крылья. Подвижность конечностей и их функциональные возможности у насекомых критически зависят от сочетания жёстких, мягких и гибридных элементов. В начале XXI аналогичные сочетания, а также тщательно подбираемые материалы послужили вдохновением при конструировании мобильных роботов, но до недавнего времени мобильные роботы оставались подобны своим «заводским» аналогам — то есть состояли из жёстких блоков и сочленений. Локомоция обеспечивалась двигателями с большим передаточным числом. Качественный скачок в конструировании роботов стал возможен только с появлением 3D‑печати и разработкой гибких, эластичных и отвердевающих материалов для неё.   

Насекомые во многом обязаны своим эволюционным успехом и повсеместным распространением именно крепкому универсальному экзоскелету, обладающему сложной морфологией. Именно эта сложность зачастую оказывалась невоспроизводимой ранее, когда в робототехнике не применялась 3D‑печать. Тем не менее, даже при помощи традиционной 3D‑печати не так просто изваять гибридного робота, состоящего из жёстких и мягких элементов — ранее для этого требовалась многоэтапная отливка и машинная обработка, а также оставался очень ограничен набор материалов, подходящих для такой 3D‑печати. Именно здесь и пришлась кстати технология FDM, чрезвычайно опередившая своё время. Первый патент на послойное наплавление материалов был выдан ещё в 1988 году компании Stratasys, но практического интереса не вызвал вплоть до 2009 года, когда срок этого патента истёк. К тому времени технология была уже вполне изучена и взята на вооружение в робототехнике. Одним из первых опенсорсных проектов был RepRap (replicating rapid prototyper = репликатор для быстрого прототипирования), запущенный в 2005 году и предназначенный для моделирования и отливки форм. Более современные принтеры, работающие по технологии FDM, инициировали новое ответвление робототехники, которое называется «печать флекзоскелетов». Обычный FDM‑принтер можно модифицировать, чтобы слои материала откладывались непосредственно на разогретую подложку из термопласта. Такая подложка гибка и прочна (при этом не растягивается), а наслаиваемый материал при отвердевании намертво с ней спекается, что одновременно обеспечивает нерастяжимость и гибкость основы. В таком случае морфология роботов становится значительно разнообразнее и сближается с анатомией членистоногих. В частности, удаётся сконструировать мини‑дрон со складными крыльями или гибкого робота‑многоножку:

Такая многоножка представляет собой простейший (линейный) флекзоскелет и может использоваться, например, для доставки лекарств внутри организма. Миллиметровые мягкие роботы такого класса не наносят вреда органам и тканям. Приводить таких роботов в движение можно дистанционно, воздействуя на них магнитным полем.

Флекзоскелет обеспечивает и более сложную локомоцию — например, как у этого робота, перемещающегося подобно крабу:

Поскольку флекзоскелеты по определению являются гибридными, в них очень важна сочетаемость используемых материалов. Интеграция гибких компонентов с жёсткими позволяет снизить механическую усталость и конструировать шагающих, плавающих и летающих роботов практически произвольной конфигурации. Не вдаваясь в подробное рассмотрение различных вариантов флекзоскелета (два примера приведены выше), оговоримся, что гибкость различных компонентов функционально отличается:

1. Флекзоскелет может изгибаться целиком (змеиться).

2. У жёсткого робота могут быть гибкие элементы, прежде всего, это захваты и другие исполнительные механизмы.

3. Флекзоскелет может блокироваться, приняв нужную форму.

Ниже будет описано, как печатаются компоненты флекзоскелета, а параллельно будут показаны варианты реализаций гибкости, упомянутые выше.

3D-печать мягких и гибких компонентов

3D‑печать мягких и гибких компонентов обычно связана с использованием мягких волокон на жёсткой подложке. Существует и альтернативный метод — послойное наложение жёстких слоёв на гибкую подложку. Во втором случае вместо гибкого экзоскелета мы получаем гибкий эндоскелет.

Чтобы организовать наплавление слоёв на гибкую подложку, требуется немного модифицировать обычный 3D‑принтер, работающий по технологии FDM так, чтобы он экструдировал жёсткие FDM‑волокна на гибкую, но нерастяжимую основу из термопластика. Такой метод значительно повышает гибкость всей конструкции, а также позволяет более точно имитировать анатомию насекомых, так как основан на взаимном зацеплении и перекрытии жёстких грибовидных элементов.

При этом точность изготовления повышается сразу в нескольких отношениях:

1. Точный подбор механических свойств: поскольку жёсткость флекзоскелета зависит от толщины и геометрии слоя, степень гибкости можно контролировать как градиент, а также добиваться различной степени жёсткости на разных участках флекзоскелета.

2. Точность компоновки сочленений и связок у робота. Несмотря на гибкость, флекзоскелет можно печатать как цельную структуру, не требующую ручной или механической сборки. При этом расстановка и ориентация подвижных элементов закладывается на этапе проектирования, и по окончании печати все эти элементы уже готовы и правильно сочленены.

3. Точная оценка кривизны флекзоскелета. Поскольку кривизна каждого отдельного элемента известна заранее, общая кривизна конструкции оценивается с высокой точностью уже на этапе 3D‑моделирования.

4. Кроме того, варьирование жёсткости флекзоскелета позволяет смоделировать у робота «аналог хитина» и «аналог кутикулы», прикрывая «хитиноподобными» щитками те части робота, которые нужно сохранить водонепроницаемыми, делая всю конструкцию более ровной и гладкой.

Захваты

Их рассмотрим отдельно, так как даже в жёстком или модульном роботе именно захват наиболее целесообразно делать гибким или гибридным для более тщательной и щадящей работы с объектами. В захвате можно предусмотреть внутренний флекзоскелетный каркас, напечатав прямо на нём жёсткие слои (в таком случае они будут не лежать на подложке, как в рассмотренном выше примере, а полностью обволакивать эндоскелет). С другой стороны, мягкие слои могут располагаться и поверх жёсткого захвата, действуя по тому же принципу, что и присоски у осьминога.

Ещё более продвинутая конструкция — мягкий манипулятор, аналогичный слоновьему хоботу. Разрабатывается с 2022 года в Южной Корее. Это первая конструкция, сочетающая функции захвата и адсорбции. Как присоски осьминога, так и хобот слона действуют по принципу вакуумного захвата, обеспечивая максимально бережные манипуляции.

Подобные захваты содержат гибридный эндоскелет, состоящий как из жёстких, так и из гибких элементов. Поверхность захвата выполняется из силиконовой кожи. Такая конструкция обеспечивает не только гибкость, но и адаптивность, и послойную реконфигурируемость рабочего органа. Поэтому захват на основе флекзоскелета может контролируемо замыкаться вокруг захваченного предмета.

Мягкими захватами и, в частности, силой схвата, можно управлять пневматически, регулируя плотность жидкости или газа, закачиваемых внутрь ячеистой силиконовой кожи. На практике пневматические захваты оказываются слишком уязвимыми: их легко проколоть или порвать, а, теряя герметичность, такой захват работать не может. Поэтому целесообразнее целиком отливать захват из силикона, вкрапляя в него магнитные элементы и/или сенсоры, позволяющие управлять формой схвата. Однако реконфигурация литого силикона — процесс небыстрый и неточный, поэтому для гибкого захвата желательно предусматривать не только флекзоскелет, меняющий форму благодаря взаимному смешению скользящих слоёв, но и видоизменение формы по принципу оригами. Например, здесь рассмотрен бионический флекзоскелет с варьирующейся длиной, способный частично складываться в гармошку. Принцип изменения размера такого робота заимствован у пиявки.

Гибкий захват с флекзоскелетом в основе также позволяет решить или сгладить проблему недоопределённости (underactuation) захвата. О том, насколько сложно обеспечить недоопределённость при использовании жёстких механических пальцев, рассказано здесь. При применении флекзоскелета сила захвата может варьироваться благодаря динамической реконфигурации всего манипулятора, каждого пальца и даже каждой фаланги (с одновременным контролем геометрии и жёсткости).

Материалы с эффектом памяти

При разработке флекзозахватов и флекзоскелетов особую роль приобретают сплавы с эффектом памяти формы (SMA). В настоящее время таких сплавов известно немного, сравнительно хорошо изучен никелид титана (нитинол). По приведённой ссылке описан диапазон применения нитинола, и акцент явно делается на высокотехнологичной инвазивной медицине и протезировании (титан не вызывает иммунной реакции). 3D‑печать композитных исполнительных механизмов с использованием SMA‑сплавов только начинает изучаться. Пока в таком качестве используются резиноподобные полимеры с эффектом памяти VeroClear и Agilus30 (как описано, например, здесь) и эластомеры, в частности, Dragon Skin.

Логичным направлением для развития флекзоскелетов представляются жидкометаллические галлиевые сплавы. В качестве робототехнического материала такие вещества кажутся значительно более перспективными, чем современные экструзивные материалы для 3D‑печати, так как форму и размер металлических капель значительно проще контролировать (в том числе, в микромасштабе). В таком случае технология FDM окончательно перешла бы в разряд моделирования и прототипирования.

Заключение

Представленный экскурс позволяет уловить неочевидную связь между мобильностью и гибкостью робота. Официальной датой возникновения бионики как науки считается 13 сентября 1960 года, но именно 3D‑печать, изобретённая только в 1980 году, обеспечила полноценное развитие биомеханических роботов, а не спорадическое копирование анатомических структур, которые легче всего адаптируются под жёсткую робототехнику. Определённо, современная 3D‑печать далека от создания по‑настоящему гибких и самозалечивающихся флекзоскелетов, а также от появления гибких трансформеров, но с развитием описанных трендов в нише жидкометаллических сплавов ситуация может качественно улучшиться. Надеюсь, и у этой публикации будет продолжение.