Американские инженеры предложили оснащать мягких роботов бистабильным позвоночником с пружиной — благодаря этому роботы могут передвигаться гораздо быстрее. Для демонстрации эффективности такого подхода авторы создали несколько прототипов, один из которых может галопировать со скоростью 2,5 длины тела в секунду, что в два раза быстрее полностью мягкого аналога.

Статья опубликована в Science Advances.

В последние несколько лет разработка мягких роботов существенно продвинулась вперед — так, в 2016 году инженерам впервые удалось создать полностью мягкого робота, в котором вместо жесткой электроники использовалась примитивная микрофлюидная схема. Однако практическое применение самых разных мягких роботов еще далеко от реальности, и одно из важных ограничений — скорость передвижения. Современные мягкие роботы по-прежнему передвигаются крайне медленно относительно собственной длины — к примеру, один из последних мягких роботов за секунду преодолевает 0,75 длины своего тела.

Чтобы это компенсировать инженеры пытаются найти разные подходы (даже мягкое пневматическое колесное шасси), и теперь исследователи из США предложили еще одну концепцию. Цзе Инь (Jie Yin) из Университета штата Северная Каролина и его коллеги из других американских университетов протестировали разные варианты конструкции для мягкого робота и обнаружили, что скорость передвижения полностью мягкого робота можно значительно увеличить, добавив в конструкцию бистабильный позвоночник с пружиной.

Авторы экспериментировали с примитивной конструкцией робота на четырех опорах. Робот состоит из двух параллельных сегментов, в каждом из которых есть верхний и нижний пневматический канал. Управляя давлением в них можно заставить робота сгибаться и разгибаться, в результате чего он будет шагать вперед.

Схема устройства робота с бистабильным позвоночником / Jie Yin et al. / Science Advances, 2020

Инженеры испытали три версии шагающего робота: полностью мягкая, с двухсегментным позвоночником и с бистабильным позвоночником (двухсегментный позвоночник и пружина). В последнем варианте пружина работает как конденсатор энергии — сначала при изменении давления она сжимается, а когда позвоночник пересекает точку максимального сжатия, пружина разжимается, робот резко разгибается и прыгает вперед (авторы назвали эту походку галопом).

Исследователи сравнили роботов в трех разных модификациях и выяснилось, что если использовать простой позвоночник, то мягкий робот без него все же передвигается быстрее, чем с ним (1,2 длины тела в секунду против 0,5), однако если в конструкцию добавить пружину, скорость вырастает до 2,5 длины тела в секунду (174 миллиметра в секунду). Дополнительно инженеры продемонстрировали прототип плавающего робота с бистабильным позвоночником — мягкой роборыбе удалось разогнаться до 0,78 длины тела в секунду.

Авторы отмечают, что показанные устройства — лишь демонстрация метода. Бистабильный позвоночник можно применять в самых разных конструкциях и это простое масштабируемое решение. При этом его можно использовать не только для повышения скорости передвижения, но и, например, для ускорения захвата объектов манипуляторами.