Физики разрабатывают модульного робота со свойствами жидкости и твердого тела

Стаи рыб, колонии пчел и мурмурации скворцов в природе демонстрируют роевое поведение, текут, как жидкость, синхронно, меняя форму. Через призму механики жидкости роение представляет особый интерес для таких физиков, как Генрих Йегер, заслуженный профессор физики Чикагского университета Сьюэлла Эйвери и Института Джеймса Франка, а также научный сотрудник Института Джеймса Франка Бодуэн Сентивс, которые применяют физические принципы к разработка модульной, адаптивной робототехники.

Способность роя течь, как жидкость, действовать согласованно без лидера и реагировать на окружающую среду вдохновила Сейнтивса и Джагера на создание последнего творения, которое они назвали «Гранулобот». Он может разделяться, собираться заново и реорганизовываться, чтобы адаптироваться к окружающей среде. И в зависимости от своей конфигурации он может вести себя как твердое тело, так и как текучая жидкость.

По словам команды, агрегатная система «стирает разницу между мягкой, модульной и роевой робототехникой».

Прототип, разработанный в сотрудничестве с Мэтью Спенко, профессором кафедры машиностроения и аэрокосмической техники Иллинойского технологического института в Чикаго, описан в статье, опубликованной в журнале Научная робототехника.

Мягкие машины

«Гранурированный робот» представляет собой набор простых цилиндрических шестеренчатых устройств, оснащенных двумя магнитами, которые могут вращаться вокруг оси цилиндра. Один магнит свободно вращается, а другой приводит в движение двигатель с батарейным питанием. Такая конструкция позволяет отдельным блокам соединяться магнитно, а после соединения толкать соседей и заставлять их вращаться. Контакт между каждой единицей перемещает совокупность в целом, подобно рой.

«Область мягкой робототехники особенно интересна для приложений, в которых роботы взаимодействуют с людьми», — говорит Джагер. «Вы не хотите, чтобы люди пострадали». Тем не менее, необходимость в мягкой робототехнике выходит за рамки безопасности и пригодности. Робот, который может менять форму, может заползать в «укромные уголки и закоулки», говорит Джегер, или перемещаться по неопределенной местности — и то, и другое полезно, например, для поиска и спасения.

Для того, чтобы робот мог менять форму и выполнять различные функции, ключевым моментом является его способность предсказуемо и обратимо колебаться между жестким и мягким. Гранулированные материалы обладают присущими им свойствами, которые делают возможным это преобразование. Этот класс материалов может переходить от жидкого к твердому поведению в зависимости от контакта, а не температуры.

Этот переход вызван явлением, называемым застреванием, которое происходит, когда частицы в неупорядоченной, хаотической системе оказываются настолько близко друг к другу, что толкаются друг к другу, и их поток прекращается. Джегер, физик конденсированного состояния, описывает вождение по шоссе: «Иногда вы едете по шоссе, но иногда вы врезаетесь в машины, и движение останавливается. Когда это происходит в гранулированном материале, говорит Джагер, «по сути, это большая пробка».

Застревание можно увидеть в действии на примере кирпича кофе в вакуумной упаковке: сломайте герметичность, и кофейная гуща может вылиться. Молотый кофе настолько хорошо работает в этом отношении, что Джагер использовал его для создания мягкого роботизированного захвата, который может захватывать и удерживать объекты независимо от их формы.

Цилиндр Granulobot намного больше кофейной гущи, но принцип тот же. «Заклинивание — это основа для того, чтобы Granulobot мог перейти от податливого и более жидкого поведения», — говорит Джегер, — «к чему-то более похожему на твердое тело».

Масштабируемость

Гранулобот предназначен для демонстрации модульного, самоорганизующегося подхода команды, но в будущем, возможно, модули могут быть чрезвычайно маленькими — тысячи единиц настолько малы, что группа будет казаться единой массой, — отмечает Джагер. «Еще одно направление, о котором было бы очень интересно подумать, — это сделать их намного, намного больше».

По словам Джагера, физика часто зависит от конкретных условий: очень маленьких, горячих или холодных. «Многим моим коллегам приходится работать в определенных условиях, иначе вся их физика не будет работать. То же самое можно сказать и о жизни».

Однако физические принципы, лежащие в основе Granulobot, не привязаны к масштабу или температуре. «Они могут работать под водой; они могут работать в космическом пространстве», — говорит Джагер.

Гранулобот обещает впечатляющие достижения в области робототехники, но Сэйнтивс и Джагер — физики. Они используют это исследование, чтобы найти новые способы думать о материи.

«В зависимости от самокоординации и передачи энергии окружающей среде ваша система будет либо программируемым материалом, либо автономным роботом. Это континуум», — говорит Сейнтивс. Но «мы стираем границу между материей и робототехникой». В рамках классического подхода к программируемой материи материал представляет собой машину; «Здесь мы исследуем идею о том, что машина — это материал».