Робот Octobot. Фото: Институт бионической инженерии им. Висса
В последние годы учёные активно экспериментируют с мягкой электроникой. Мягкие эластичные предметы вообще удобнее в жизни, чем твёрдый металл и пластик. Это касается практически любых объектов. Электроника и роботы здесь не исключение. Поэтому вполне логично предположить, что будущее — именно за мягкими роботами. Такие эластичные и упругие кибернетические существа будут надеваться на голову и натягиваться на тело, приниматься внутрь. Они не боятся воды и коррозии, могут скользить или скатываться по наклонным поверхностям. Им не страшны повреждения, деформация и т.д. — у них много преимуществ перед жёсткими конструкциями [1] [2]. А ещё их так приятно гладить и похлопывать по упругому тельцу.
Полностью мягкие механизмы без единой твёрдой детали создавались и раньше, но это были довольно примитивные роботы вроде гусеницы. Сейчас инженеры из Гарвардского университета добились успеха, показав первого в мире полностью мягкого автономного робота Octobot в образе симпатичного осьминога, который двигается за счёт химической реакции восстановления перекиси водорода (H2O2).
Авторы изобретения из гарвадского Института бионической инженерии им. Висса считают, что такие роботы уже пригодны для массового производства по несложному техпроцессу, включая мягкие элементы питания и мягкие электронные схемы. Этот простой дизайн может стать ключевым компонентом для создания более сложных мягких роботов будущего.
Бoльшая часть деталей Octobot напечатана на 3D-принтере, а затем в его тело инкрустированы электропроводящие цепи и газовые сосуды методом литографии.
Газовые сосуды вдавливаются методом литографии. Иллюстрация: Институт бионической инженерии им. Висса
Технический процесс изготовления Octobot. Фото: Институт бионической инженерии им. Висса
Робот двигается за счёт газа, выделяемого из перекиси водорода — топлива. Жидкость перемещается по телу, а газ вздувает конечности. Учёные сконструировали хитрую сеть микрососудов для перемещения жидкости по всему телу. Эта сеть сосудов спланирована так, что при вздутии одних фрагментов конечностей сдуваются другие, в заранее определённой последовательности, которая позволяет роботу передвигаться. Алгоритм вздутия и сдутия реализован в простой логической схеме.
Логическая схема робота. Иллюстрация: Институт бионической инженерии им. Висса
Робот работает на 50% растворе перекиси водорода. Для сравнения, в большинстве бытовых продуктов обычно используется раствор 5%.
Робот может двигать конечностями самостоятельно, без внешнего управления, поэтому его считают автономным. Изменение давления в конечностях — основной способ передвижения для всех мягких роботов, и сейчас учёные впервые нашли способ запустить этот процесс полностью в автономном режиме.
Перекись водорода мгновенно распадается на воду и газообразный кислород при контакте с платиной на стенках каналов — в тех районах, где и происходит вздутие конечностей. Химическая реакция с перекисью водорода концентрацией 50% и 90% показана в видеоролике.
Газ занимает в 160 раз больше объёма, чем жидкость. За счёт этого Octobot двигает конечностями. Сейчас он может двигать щупальцами от 4 до 8 минут на одном миллилитре раствора перекиси водорода.
Сеть микрососудов спроектирована при участии известного химика Джорджа Уайтсайдса, лауреата множества престижных премий (согласно Википедии, это 1-й по цитируемости химик в мире за период с 1992 по 2002 годы, а также 1-й в мире по цитируемости из ныне живущих химиков в 2011 году, индекс Хирша = 169). Он тоже работает в Институте бионической инженерии им. Висса.
Сеть микрососудов робота Octobot под микроскопом. Иллюстрация: Институт бионической инженерии им. Висса
Конструкция выглядит многообещающе для некоторых сфер использования роботов, в том числе внутри человеческого тела. Конечно, физико-химическая автономная система сама по себе проще, чем привычные автономные роботы с компьютерным управлением, но это первая в мире такая конструкция, так сказать, proof-of-concept, то есть доказательство жизнеспособности идеи. Форм-фактор осьминога выбрали произвольно: «Мы решили, что осьминог просто выглядит классно, — говорит Майкл Венер (Michael Wehner), ведущий автор научной работы. — Мы подумали, что такой прикольный осьминог поможет привлечь людей в мягкую робототехнику».
В следующей версии разработчики хотят научить Octobot плавать и взаимодействовать с окружающими объектами. Для этого придётся усложнить его логическую схему и, возможно, усложнить сеть микрососудов.
Сейчас этот осьминог выглядит смешно и бесполезно, но он даёт возможность представить будущее, в котором мягкие автономные роботы станут реальными.
Научная работа «Интегрированный дизайн и стратегия производства полностью мягких, автономных роботов» опубликована 24 августа 2016 года в журнале Nature (doi:10.1038/nature19100, pdf).
Литература
[1] Rus, D. & Tolley, M. T. Design, fabrication and control of soft robots. Nature 521, 467–475 (2015). Вернуться к статье
[2] Wang, L. & Iida, F. Deformation in soft-matter robotics: a categorization and quantitative characterization. IEEE Robot. Autom. Mag. 22, 125–139 (2015). Вернуться к статье
Комментарии (33)
gsaw
25.08.2016 16:21Не помню, то ли в моделисте конструкторе, то ли где еще, в восьмидесятых был предложен на конкурс похожий вариант конечностей для робота. Предлагалось их сделать гибкими и в зависимисости от того, в какую секцию нагнетался воздух они изгибались в разные стороны. Ими можно было захватывать предметы и использовать как ноги.
То есть сам принцип давно известен. Кажется у пауков такой же. Тут просто необычная форма и и источник давления. Как манипулятор для мелких и хрупких деталей самое то наверное.
SHVV
25.08.2016 16:47Как-то так?
gsaw
25.08.2016 18:24Да, примерно в том же направлении и было. Я точно уж и не помню. Мне даже кажется это был Юный техник журнал, в рубрике «Патентное бюро ЮТ». Может тоже было три внутренних трубки или с наружи было какое то ограничение, так, что при повышении давления манипулятор сам закручивался в одну сторону, как у этого «осьминога».
vconst
26.08.2016 11:49Только у членистоногих экзоскелет с нормальной мускулатурой, никакой пневматики тем нет
gsaw
26.08.2016 12:12«По краю просомы имеется широкий слой мышечной ткани, который соединяет карапас и основания кокс, так называемый musculi laterales. Когда пауку нужно двигать ногами, он напрягает эти мышцы. В результате просома слегка сжимается, при этом повышается давление гемолимфы внутри неё. Stewart и Martin (1974) измерили это давление у Aphonopelma hentzi, получив (максимум) 480 мм.рт.ст. за одно усилие. Для сравнения, нормальное кровяное давление у человека – около 130 мм.рт.ст. в спокойном состоянии и повышается до 220 во время тяжёлой работы.
Это давление передаётся по всей длине ноги, расправляя связки. Расслабляя мышцы-сгибатели соответствующих суставов, Паук может их (суставы) разогнуть. Обратите внимание, что связки при этом не растягиваются. Они больше похожи здесь на кузнечные мехи, нежели на воздушный шарик.»
https://animalplanet.name/forum/viewtopic.php?style=11&t=136vconst
26.08.2016 12:26Похоже на надмозговой перевод, особенно порадовал абзац про легкие, не стал бы я доверять ему
gsaw
26.08.2016 12:41http://www.nmbe.ch/sites/default/files/uploads/pubinv/2013_a_hydraulic_system.pdf
По ссылке работа на английском более подробно описывающая принцип движения пауков
«Hydraulic System of Locomotion»
4.1 Introduction
Spiders can be seen from a functional viewpoint as semi-hydraulic machines
vconst
26.08.2016 12:49Интересная информация, спасибо. Забавно, что именно пауки так выделяются из членистоногих
Polarisru
26.08.2016 14:25У некоторых видов паукообразных (скакунчики, например) бимодальная дыхательная система, есть легкие.
relia
25.08.2016 17:52«Мягкий» робот на пневмоприводе использует вполне себе такие твердые клапаны и компрессор (баллоны со сжатым газом). То есть в нем мягкие только поверхности манипуляторов.
Garbus
25.08.2016 19:38Ну тут весь вопрос в долговечности и стоимости. Получать сжатый газ химической реакцией наверняка накладнее, чем компрессором. А клапана на порядок проще в реализации и управлении, чем подобная штука.
Гибкий робот интересная штука (в перспективе), но пока больше одно или другое, вместе сочетается с трудом.relia
25.08.2016 21:22Данный робот двигается за счет преобразования химической энергии, а не превращения потенциальной энергии сжатого воздуха в кинетическую. И этим процессом достаточно легко управлять с помощью внешнего электромагнитного поля, к примеру. Сделал такого робота из белка, запустил его, разово заряженного перекисью водорода, в кровеносную систему человека и после окончания работ он там же и растворился без следа.
Garbus
26.08.2016 03:39Данный робот двигается за счет преобразования химической энергии, а не превращения потенциальной энергии сжатого воздуха в кинетическую.
Кхм, двигается он да счет раздувания камер газом, просто его источник химический. А то по Вашей формулировке выходит что-то вроде мышц.
P.S.Ну Вы и садист. Запускать в кровеносную систему робота, активно пузырящегося кислородом. :)relia
26.08.2016 10:40Эээ… Ну это я так — с ходу написал. :) Да и на «выхлопной трубе» может быть какой-либо поглотитель или преобразователь высвобождающегося кислорода в безопасное для организма и его кровеносной системы соединение.
hekke
25.08.2016 23:20Мягкие роботы — слуги Матрицы? Экзистенция?
https://www.kinopoisk.ru/film/7569/
sens_boston
26.08.2016 09:53Непонятно, почему этот, достаточно опасный (судя по ролику) движитель на химической реакции называют «роботом»?
У моей шестилетней дочки есть игрушка, спрут (или осьминог?), сделанный из какой-то липкой и мягкой субстанции, наподобие силикона или желе (не разбираюсь в сортах китайского ...), который, будучи брошен на окрашенную стену, сползает вниз в течение 10-15 минут, спонтанно двигая щупальцами, притом безо всякого опасного топлива и платины, стоимость притом копеечная. Чем не «робот»? Не хватает только лауреата Нобелевской премии, чтобы слупить грант побогаче :Drelia
26.08.2016 10:07Причем тут примитивные детские игрушки, использующие для движения силу тяжести?
sens_boston
26.08.2016 10:17При том же, что и слово «робот» в переводе этой маркетинговой статьи.
P.S. Что, теперь [tag_ирония] обязательно писать, чтобы шутка дошла?relia
26.08.2016 10:38Шутка была в первом абзаце или втором? Лучше используйте лопату.
Нормальный робот — самостоятельно выполняет запрограммированные его создателем действия. Ну, скорее «личинка робота», но области применения будут потом разработаны.sens_boston
26.08.2016 16:29Не знаю, что посоветовать использовать вам, чтобы научиться понимать шутки.
Что же касательно определения «робот», то, по вашему определению и обычные механические часы — «робот», и заводная игрушка — тоже «робот»…
Статейка откровенно маркетинго-булшитовая; судя по тому, что ученые сразу побежали публиковаться в Nature, вместо разворачивания нормального бизнеса, эти «мягкие роботы» так и останутся в прототипах (разве что породят еще пару-тройку новых Ph.D).relia
26.08.2016 16:55судя по тому, что ученые сразу побежали публиковаться в Nature, вместо разворачивания нормального бизнеса, эти «мягкие роботы» так и останутся в прототипах (разве что породят еще пару-тройку новых Ph.D)
Вообще-то это нормальная практика для научного мира. Чай не в отечественных п/я и номерных городах работают. ;)sens_boston
26.08.2016 17:08В чем тут «наука»-то? Что за открытие они совершили? Использовали 3D принтер?
P.S. Не смотрел оригинал статейки, но если перевод не врет, то всю сущность «открытия» и данной «науки» можно выразить во фразе: «Мы решили, что осьминог просто выглядит классно, — говорит Майкл Венер (Michael Wehner), ведущий автор научной работы. — Мы подумали, что такой прикольный осьминог поможет привлечь людей в мягкую робототехнику».
ru_vlad
26.08.2016 10:30Помню где в журналах 60х годов (скорей всего Техника молодежи) читал о пневматической логике, там логические элементы ( триггеры, И, ИЛИ) были на воздушном носители.
tossshik
26.08.2016 11:59Рассказ в тему: https://habrahabr.ru/post/162053/
relia
26.08.2016 12:09Рассказчик в 2012 году как в воду глядел!
— Именем Князя Питерского, давайте сюда декларацию. Что везем? Откуда?
— Из Новосибирска. 256 мегабайт сертифицированных данных для Интернета Его Высокопревосходительства. Научные, метеорологические, новости, деловая и частная корреспонденция, — доложила я, зная, что таможня шутить не любит.
— Открывайте, посмотрим.
— Что, все 256 мегабайт смотреть будете?
— Открывайте, разберемся…
madf
ну до «робот» этой конструкции ещё очень далеко, а так асфиксичная игрушка :D
Platon_msk
Триггер в качестве мозга несколько ограничивает его функционал, да.