Физики из Технологического института Джорджии (США) экспериментально выяснили, что происходит со структурой песка, когда от него пытаются оттолкнуться, например, во время бега или прыжка. Оказалось, что правильно подобрав время задержки между приземлением и новым толчком, можно увеличить высоту прыжка на 20 процентов и больше. Особенно этот расчет актуален для проектирования новых ходячих роботов. Работа опубликована в Nature Physics.

В качестве модельного робота в эксперименте выступала одна механическая «нога»: диск, к которому была приделана пружина и актуатор, позволявший совершать прыжок вверх. Вместо песка использовали маковые зерна диаметром около одного миллиметра. Авторы заставляли робота прыгать несколько раз подряд и варьировали время задержки актуатора между прыжками. При этом измерялась высота прыжков, а при помощи высокоскоростной камеры ученые следили, что происходило со структурой «песка» в момент приземления и толчка.

Образование плотного конуса из грунта, когда роботизированная нога приземляется после прыжка. Изображение: Jeffrey Aguilar et al./ Nature Physics

Постановка эксперимента и различные сценарии прыжков.

Оказалось, что при приземлении диск сдавливал песок с большей силой, чем предсказывали существующие теоретические модели. В частности, «нога» вела себя так, как будто бы обаладала большей массой и, соответственно, инерцией. Изучив структуру грунта, авторы отметили, что в момент приземления под диском образовывался конус из уплотнившихся зерен, который двигался вместе с ногой, таким образом эффективно увеличивая ее массу.

Если между приземлением и новым прыжком не выставлялась задержка, или она была слишком маленькой, то за счет инерции диска и наросшего под ним конуса в момент толчка «нога» не успевала остановиться, поэтому прыжок оказывался невысоким. Если же время задержки подбиралось так, что диск с конусом успевали затормозить, второй прыжок оказывался значительно выше. Оптимальный интервал задержки составил примерно 100 миллисекунд. Для больших промежутков высота прыжка была на 20 процентов меньше.

По словам ученых, новые данные пригодятся при создании роботов, рассчитанных на передвижение по рыхлой поверхности. Используя оптимальные параметры «ног» (пружин и актуаторов), а также правильно подбирая темп передвижения, можно сэкономить энергию, используя свойства грунта в своих целях.

Автор: Тарас Молотилин