Управляемый таракан, «сидячий» дрон и геккон со сменными ногами: что умеют роботы, которые копируют строение животных Статьи редакции

Искусственных насекомых можно использовать, чтобы исследовать завалы после катастроф, а антропоморфных роботов — чтобы носить грузы.

Биомимикрия, или бионика, изучает, как применить природные структуры в изобретениях человека. К примеру, бионика помогла разработать застёжку-липучку (её запантентовал Жорж де Местраль в 1955 году), эспланаду на берегу залива Марина-Бэй в Сингапуре. Используют бионику и при создании биороботов (биоботов).

Лаборатория iBionicS из Университета Северной Каролины в 2012 году создала радиоуправляемого таракана, который работает без батареек.

Таракан в процессе пищеварения выделяет трегалозу, питательное вещество-дисахарид. Учёные использовали это свойство. Они ввели в тело насекомого анод с ферментами, расщепили трегалозу на два простых сахара и высвободили из них электроны, получив электрический ток. Напряжения 0,2 В достаточно для питания управляющего устройства.

Испытатели управляли тараканом через его же сенсорные усики, к которым прикрепляли электроды. Существо планируют использовать для исследований в экстремальных условиях, например во время катастроф.

В 2012 году группа учёных под руководством Кевина Паркера из Гарвардского университета создала медузоида. Робот имитировал движения живого существа, «плавая» в электрическом поле.

Для этого учёные разместили клетки крыс на синтетическом куполе. Импровизированные мышечные волокна из этих клеток стали сокращаться, и медузоид поплыл.

Учёные развили идею в 2016 году: разработали ската-биоробота, он плывёт за лучом света.

К клеткам крысы исследователи добавили чувствительные к свету белки-опсины. Так клетки стали реагировать на свет. Затем из них собрали мышечные волокна и поместили на золотой скелет.

Stickybot использует принцип лапок геккона (сухой адгезии), чтобы ползать по стенам. Робота придумали в 2005 году в Стэнфорде, исследователи выпустили три модификации.

Новостей о роботе на сайте университета нет с 2011 года. Зато можно скачать инструкцию, а также исходный код для своего Stickybot.

Boston Dynamics при поддержке нескольких университетов тоже создавала похожего робота — RISE. На его лапах размещены управляемые шипы, поэтому он ползает и бегает не только по горизонтали.

Учёные разработали несколько вариантов лап, чтобы робот карабкался по разным поверхностям.

В 2005 году Делфтский технический университет в Нидерландах запустил проект Delfly. Учёные изобретают автономные летательные аппараты-махолёты. Их движение похоже на полёт насекомого: махолёт может резко сменить направление или зависнуть в воздухе.

Особое внимание исследователи уделили размерам:

• 29-сантиметровый Nimble при дальности полёта в 1 км весит 33 г.
• 20-граммовый Explorer оборудован системой стереонавигации, чтобы не сталкиваться препятствиями.
  
• Десятисантиметровый Micro с камерой на борту весит 3 г. По словам разработчиков, это самый маленький автономный аппарат для воздушной съёмки в мире.
  

Роберт Вуд из Гарвардского университета в 2013 году разработал свой аппарат-насекомое. В отличие от Delfly, его робот работает на внешнем источнике питания.

Фантазия разработчиков не заканчивается на использовании крыльев. Бхаргав Гаджар из Vishwa Robotics в американском Брайтоне оснастил обычный дрон ногами для приземления. Их устройство автор скопировал с ног американской пустельги.

Умение сидеть экономит энергию дрона при длительной съёмке с одной точки. Острые когти на ногах служат для лучшего захвата поверхности. Кроме того, ноги смягчают посадку, дрон даже ходит на них. Приземление контролирует компьютер через камеру.

Группа профессора Евгения Брискина из Волгоградского государственного технического университета в 1984 году разработала шагающую машину для работы в аварийных ситуациях. Робот-осьминог весил 4,5 т.

За восемь лет до этого в Японии представили шагающую машину KUMO-I, взяв за основу строение длинноногого паука. Количество ног сократили до четырёх.

Лапы Salamandra robotica напоминают лапы саламандры. С их помощью робот перемещается на суше, а в воде складывает лапы и плавает как змея. Его создала лаборатория Федеральной политехнической школы Лозанны (EPFL), последняя модель вышла в 2013 году.

Основная задача проекта — изучить, как работают спинномозговые нейроны у позвоночных. Для этого учёные встроили в робота микроконтроллеры, которые моделируют работу спинного мозга и мускулов живой саламандры. Вторая задача — создание робота, полезного во время спасательных операций.

В 2005 году Boston Dynamics и её партнёры по заказу агентства исследований и разработок Министерства обороны США DARPA создали робота Big Dog. Он ходит со скоростью 6,4 км/ч и поднимает 154 кг груза при собственном весе в 110 кг.

В 2008 году показали новую версию Big Dog — устойчивую к боковым ударам и способную ходить по льду. Через семь лет студия остановила разработку. Основной причиной стал шум при движении, в походных условиях робота сложно чинить. На вооружение армии США робособака так и не поступила.

Вместо этого разработчики сосредоточились на проекте Spot. Новый робот легче (32,5 кг) и тише. В 2020 году компания начала продавать Spot за $74 500. В комплект входят два аккумуляторных блока, зарядка, пульт управления и кейс для транспортировки. Cheetah, ещё один робот Boston Dynamics, тоже заимствует идею движения от животных. Благодаря гибкой спине он бегает со скоростью 48 км/ч.

С 2013 года компания занимается WildCat. Он бегает со скоростью 32 км/ч. Главное отличие WildCat от Cheetah — автономная система питания.

Массачусетский технологический институт разработал свою версию Cheetah под названием Mini Cheetah. Он весит 9 кг и бегает со скоростью до 8,8 км/ч, может двигаться боком и делать сальто. Пока в свободной продаже его нет, но на AliExpress продают копии за 1 млн рублей.

Похожих роботов выпускает китайская компания Unitree Robotics. Разработанный в 2017-м LaikaGo переносит грузы, AlienGo 2019 года ходит, бегает и делает сальто. AlienGo стоит $45 тысяч.

Исследователи из Калифорнийского университета в Беркли создали робота CRAM (Compressible Robot with Articulated Mechanisms), взяв за основу таракана.

Эти насекомые могут переносить вес в 900 раз больше собственного и вбежать в щель в половину своего роста без потери скорости. Тараканы выдерживают сжатие в несколько раз, шипы на ногах позволяют им бегать даже в узких местах. Робота с такими же характеристиками создали для работы в условиях аварий и катастроф.

Первых шагающих антропоморфных роботов Honda сделала в 1986 году — Honda E0 мог идти со скоростью всего один шаг в пять секунд и только по прямой.

С 1993 по 1997 год конструкторы добавили к роботу туловище (ранее для экспериментов запускали только ноги), в 2000 году появился робот ASIMO (Advanced Step in Innovative Mobility). Версия 2011 года бегала со скоростью до 9 км/ч, распознавала лица и голоса, поднимала хрупкие предметы и владела жестовым языком.

Антропоморфных роботов, копировавших походку человека, выпускали и другие компании. В 2003 году Sony разработала QRIO (Quest for cuRIOsity, Sony Dream Robot или SDR), который не только ходил и бегал на двух ногах, но и танцевал.

В 2009 году DARPA заказала у Boston Dynamics робота petman (Protection Ensemble Test Mannequin). Он похож на человека и предназначен для тестирования химзащиты. Ходит petman со скоростью 7,08 км/ч.

Антропоморфные роботы Boston Dynamics Atlas и Handle (2013 год) носят груз, используя верхние конечности. Кроме того, они копируют и другие движения человека: Atlas делает сальто.

В 2017 году Honda показала человекоподобного робота E2-DR весом 85 кг и ростом 168 см. Он способен подниматься по лестнице и ходить по неровной поверхности со скоростью 2 км/ч.

Разработку ASIMO компания Honda в итоге прекратила в 2018 году: проект нерентабельный. Наработки компания использует в устройствах для медицинской реабилитации, в беспилотниках и мотоциклах.

Инженеры под руководством Гюнтера Нимейера (Gunter Niemeyer) из Disney Research в 2018 году создали экспериментального робота Stickman. Секции тела робота имитируют строение тела человека, поэтому он делает сальто, как живой акробат.

В России НПО «Андроидная техника» и Фонд перспективных исследований по заказу МЧС России разработали робота FEDOR (Final Experimental Demonstration Object Research), работающего под контролем оператора. В 2019 году он полетел в космос, чтобы помогать на МКС.

Ксеноботы, или «мини-роботы» из живых клеток, впервые были созданы в начале 2020 года в университете Тафтса в США. Чтобы они выполняли поставленную задачу вроде перенесения груза, исследователи использовали особый алгоритм.

Компьютер моделирует ситуацию, затем просчитывает математическую модель комбинации клеток и выбирает лучшие варианты.

Получив описание модели от компьютера, учёные собрали её из клеток лягушачьих эмбрионов, по мере роста создав нужную форму биобота микрохирургическими пинцетами и электродами. Полученный ксенобот проходил «испытания», после которых при необходимости меняли алгоритм.

Ксенобот существует и выполняет «поручения» за счёт собственных питательных веществ. Его клетки не способны к размножению, но восстанавливаются при повреждениях. После исчерпания ресурса (примерно недели работы) клетки умирают и разлагаются, как обычная живая ткань.

Ксеноботы способны группировать мелкие частицы вокруг себя, поэтому учёные планируют использовать их для сбора микропластика в океане.

#роботы #бионика #bostondynamics