Гуманоидные роботы во многом похожи на людей. Не только внешне, но и по принципу работы. Например, когда наши мышцы активно работают под физической нагрузкой, они нагреваются. Поэтому организму нужно срочно охлаждать их. Как это сделать? Млекопитающие традиционно используют пассивную систему охлаждения поверхности тела, выделяя жидкость, которая испаряется с поверхности (пот).

Точно по такому принципу происходит охлаждение механических систем в новом гуманоидном роботе Kengoro, который разработали в лаборатории робототехники JSK Токийского университета.

Как известно, в процессе фазового перехода вещества из жидкого состояния в газообразное некоторые молекулы жидкости отрываются от соседних молекул и улетают. Улетевшие молекулы обладают более высокой кинетической энергией, а средняя энергия оставшихся молекул становится меньше. Другими словами, жидкость на поверхности остывает — и тем самым охлаждает поверхность.

Так работает система охлаждения человеческого тела и робота Kengoro.

У робота выделение охлаждающий жидкости происходит проще, чем у человека. У млекопитающих этим занимается сложная система кожных желез.

Вид и расположение потовой железы у человека

А у робота Kengoro — механические устройства, расположенные на раме рядом с электромоторами (на фотографии двигатель с подключенными проводами располагается в нижней части конструкции). Механические железы робота выделяют жидкость через раму на поверхность, охлаждая металл непосредственно рядом с двигателем.

Двухслойная пористая рама пропускает жидкость на поверхность. Она изготовлена из алюминия по технологии лазерного спекания. Вероятно, применяется технология прямого лазерного спекания (DMLS), а не выборочного. В процессе используются оптоволоконные лазеры мощностью около 200 Вт или больше. Порошковый материал подаётся в рабочую камеру в количестве, необходимом для нанесения одного слоя. Специальный валик выравнивает поданный материал в ровный слой и удаляет излишний материал, после чего лазерная головка спекает частицы свежего порошка между собой и с предыдущим слоем согласно контурам, определённым цифровой моделью в формате STL. Разрешение печати составляет около 20 микрон. После первого слоя начинается спекание следующего и так далее.

Пористый алюминий для каркаса Kengoro

В докладе на научной конференции авторы описали процесс производства деталей из алюминия и пористой структуры, которая не допускает утечки жидкости, а также привели результаты испытаний материала на прочность и эффективности системы охлаждения (к сожалению, доклад пока не опубликован в открытом доступе).

Японские инженеры посчитали такой метод терморегуляции вполне приемлемым. Тесты показали, что он в три раза эффективнее, чем обычное воздушное охлаждение, и значительно лучше, чем водяное охлаждение, в которой вода циркулирует по замкнутому контуру. Правда, «потовыделение» всё-таки уступает по эффективности традиционным радиаторам с активным охлаждением.

Специальная система охлаждения может значительно повысить работоспособность роботов в некоторых условиях. Например, при интенсивной работе на жаре. Можно вспомнить, как хорошо проявил себя SCHAFT с водяным охлаждением на конкурсе роботов DARPA Robotics Challenge Trials в условиях жаркой пустыни, когда некоторые другие роботы страдали от глюков в и падений.

Благодаря охлаждению моторов робот Kengoro способен к энергичным движениям в конфигурации с низким передаточным отношением редуктора привода. Например, он может отжиматься от пола 11 минут подряд без отказа моторов из-за перегрева.

Робот Kengoro ростом 1,7 метра и весом 56 кг сконструирован на основе опорно-двигательного аппарата, тоже мимикрирующего строение человеческого тела. Для этого в конструкцию машины пришлось включить аж 108 моторов. Плюс многочисленные шестерёнки и печатные платы с электроникой. Без охлаждения здесь никак не обойтись.

Презентация Kengoro состоялась на роботехнической конференции IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS 2016), которая проходит 9–14 октября в Южной Корее.

Изобретённую систему охлаждения, мимикрирующую под человеческое тело, авторы описали в нескольких научных статьях и докладах на конференциях. Например, «Human Mimetic Musculoskeletal Humanoid Kengoro for Real World Physically Interactive Actions» (2016 JSME Conference on Robotics and Mechatronics, 2A1–13a2, 2016), «Skeletal Structure with Artificial Perspiration for Cooling by Latent Heat for Musculoskeletal Humanoid Kengoro» (2016 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems, paper WeH2.5 ).

Kengoro — первый в мире робот, рама которого используется не только как несущий каркас для жёсткости, но и для вспомогательных задач: транспортировки жидкости и терморегуляции. При этом она хорошо выполняет и свою основную функцию.

На сайте JSK можно найти информацию ещё о нескольких интересных гуманоидных роботах, спроектированных в лаборатории. Например, роботе Keshiro с ещё более продвинутым опорно-двигательным аппаратом, чем у Kengoro.

Робот Keshiro

Похоже, если где-нибудь и появятся гуманоидные роботы, практически неотличимые от людей, то это будет Япония.