Миниатюрные роботы, размером с насекомых, способны проникать в места, недоступные для более крупных машин — например, глубоко внутрь обрушившихся зданий, чтобы искать выживших после землетрясений. Однако, двигаясь среди обломков, такие маленькие ползающие роботы могут сталкиваться с высокими препятствиями, которые они не могут перелезть, или скользкими поверхностями, по которым они будут соскальзывать. Воздушные роботы могли бы избежать этих опасностей, но для полёта требуется слишком много энергии, что серьёзно ограничивает расстояние, на которое они могут уйти от базы, прежде чем им потребуется вернуться и подзарядиться.

Чтобы объединить преимущества обоих способов передвижения, исследователи из Массачусетского технологического института (MIT) разработали подпрыгивающего робота, который может перепрыгивать через высокие препятствия и перескакивать через наклонные или неровные поверхности, используя при этом значительно меньше энергии, чем летающий робот. Работа опубликована в журнале Science Advances.

Крошечный, но мощный

Этот робот меньше человеческого большого пальца и весит меньше скрепки. У него есть упругая нога, которая позволяет ему отталкиваться от земли, и четыре модуля с машущими крыльями, которые обеспечивают подъёмную силу и контролируют ориентацию в пространстве.

Робот может прыгать на высоту около 20 сантиметров — это в четыре раза выше его собственного роста — с горизонтальной скоростью примерно 30 сантиметров в секунду. Он легко преодолевает лёд, мокрые поверхности, неровную почву и даже может запрыгнуть на дрон, зависший в воздухе. При этом он потребляет на 60% меньше энергии, чем аналогичный летающий робот.

Благодаря своей лёгкости, прочности и энергоэффективности, такой робот может нести полезную нагрузку, в 10 раз превышающую ту, которую способен перевозить летающий робот такого же размера. Это открывает возможности для множества новых применений.

«Сейчас стало намного проще размещать на борту батареи, электронные схемы и датчики — особенно если использовать прыгающего робота вместо летающего. Мы надеемся, что однажды этот робот выйдет за пределы лаборатории и будет полезен в реальных условиях», говорит И-Хсуан (Немо) Хсяо, студент MIT и соавтор статьи.

Почему выгодно прыгать?

Прыжки широко распространены среди насекомых — от блох, перепрыгивающих на новых хозяев, до кузнечиков, скачущих по лугам. Хотя у миниатюрных роботов обычно используется полёт или ползание, прыжки дают огромное преимущество в плане энергоэффективности.

Когда робот прыгает, потенциальная энергия (высота над землёй) превращается в кинетическую (движение вниз), а затем снова в потенциальную, когда он ударяется о землю, и так далее.

Для повышения эффективности MIT-робот оснащён упругой ногой, сделанной из сжимаемой пружины, похожей на механизм клик-ручки. Эта пружина преобразует скорость движения вниз в движение вверх.

«Если бы наша пружина была идеальной, робот мог бы просто прыгать бесконечно, без потери энергии. Но поскольку она не идеальна, мы используем машущие модули, чтобы компенсировать потерю энергии при каждом контакте с землёй», объясняет Хсяо.

Во время прыжка крылья создают подъёмную силу и помогают роботу сохранять правильное положение для следующего прыжка. Четыре механизма с машущими крыльями работают благодаря мягким приводам — искусственным мышцам, которые достаточно прочны, чтобы выдерживать многократные удары о землю.

«Мы использовали одного и того же робота во всех экспериментах, и ни разу не понадобилось его чинить», добавляет Хсяо.

Точное управление

Ключ к успеху — система управления, которая определяет, как должен быть ориентирован робот перед следующим прыжком. Ориентация определяется с помощью внешней системы трекинга движения и алгоритма, который рассчитывает необходимые параметры прыжка на основе данных сенсоров.

После прыжка робот движется по баллистической траектории, парящей в воздухе. На вершине этой дуги он оценивает точку приземления. Затем контроллер рассчитывает нужную скорость для следующего прыжка. Во время полёта робот машет крыльями, чтобы правильно выставить угол и ось приземления, чтобы двигаться точно в нужном направлении и с нужной скоростью.

Прочный и универсальный

Исследователи протестировали робота на разных поверхностях: трава, лёд, мокрое стекло и неровная земля — и он успешно перемещался по всем им. Даже на динамически меняющихся поверхностях, например, наклоняющихся, робот справлялся без проблем.

«Роботу неважно, под каким углом находится поверхность, на которую он приземляется. Главное — чтобы он не проскальзывал при ударе о землю, и тогда всё будет в порядке», говорит Хсяо.

Поскольку контроллер адаптируется к разным типам поверхностей, робот может легко переходить с одной поверхности на другую без пауз.

Например, прыжки по траве требуют больше усилий, потому что травинки создают эффект демпфирования и снижают высоту прыжка. Контроллер может добавить больше энергии крыльям во время воздушной фазы, чтобы компенсировать это.

Из-за своего маленького размера и массы, робот имеет очень малый момент инерции, что делает его более ловким, чем крупные роботы, и лучше способным выдерживать столкновения.

Исследователи показали его ловкость, выполняя акробатические перевороты. Этот невесомый робот также может запрыгнуть на дрон в воздухе, не повредив ни себя, ни устройство, что может быть полезно для совместных задач.

Хотя команда продемонстрировала, что робот может нести полезную нагрузку вдвое больше собственного веса, потенциально эта величина может быть ещё выше. Добавление дополнительного веса не влияет на его эффективность. Наибольшее влияние на грузоподъёмность оказывает эффективность самой пружины.

Перспективы будущего

В дальнейших исследованиях учёные планируют воспользоваться возможностью робота перевозить тяжёлые грузы, установив на него батареи, датчики и другие электронные компоненты. Цель — сделать робота автономным, чтобы он мог самостоятельно прыгать вне лабораторных условий.

«Мы хотим, чтобы он стал настоящим помощником в спасательных операциях и других сложных ситуациях», заключает Немо Хсяо.