Механическая лягушка прыгает и плавает: учёные придумали крошечного робота с «лапами» из упругих стержней

·Редакция
Механическая лягушка прыгает и плавает: учёные придумали крошечного робота с «лапами» из упругих стержней
Иллюстрация: pronedra.ru

Инженеры Мичиганского университета и Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе (UCLA) разработали роботизированный прыгающий механизм, позволяющий крошечному роботу копировать движения лягушки: прыгать по суше и плавать в воде. Работа опубликована в журнале Science Advances.

Создание небольшого робота, способного быстро и эффективно двигаться — давняя инженерная задача. Стандартные двигатели производят плавное, равномерное движение. Они не дают мгновенного мощного выброса энергии, нужного для прыжка. Биологические решения — лягушки, блохи, кузнечики — давно привлекают внимание инженеров именно потому, что эти существа накапливают и мгновенно высвобождают энергию упругих структур тела.

Принцип «пращи»: скручивание → щелчок → прыжок

Ключевое открытие команды — геометрически управляемый нелинейный переход. Изогнутые гибкие стержни при скручивании за свои концы сначала аккумулируют упругую энергию. Когда деформация достигает критического порога, стержни «щёлкают» — мгновенно переходят в менее напряжённое состояние, высвобождая запасённую энергию в один резкий импульс.

Команда использовала компьютерные симуляции, чтобы найти конфигурацию, при которой щелчок гарантированно возникает именно в нужный момент, а не переходит в медленное постепенное раскручивание.

Практический результат: маленький, слабый двигатель накапливает энергию медленно — а отдаёт её мгновенно. «Как правило, при использовании обычных двигателей мы получаем движение относительно равномерно, как колесо, вращающееся с постоянной скоростью», — объяснил профессор UCLA Халид Джавед. «Это исследование показывает принципиально иной подход».

Характеристики прототипа

Робот размером 11 сантиметров весит 98 граммов. В ходе испытаний он продемонстрировал:

  • устойчивое прыгание по шести разным поверхностям: дереву, ткани, акрилу, коже, траве и песку;
  • способность преодолевать небольшие лестничные ступеньки;
  • скорость около трёх длин тела в секунду — сопоставимо с черепашатами логгерхеда, спешащими к морю;
  • при присоединении лопастей к задним конечностям — плавание в воде.

Переход от прыжков к плаванию не требует механической перестройки: те же изогнутые стержни, что создают прыжковое усилие на суше, с лопастями создают гребущее движение в воде.

Зачем это нужно

Миниатюрные роботы, способные преодолевать неровный рельеф — трещины, ступеньки, грязь, воду — нужны для поиска выживших в завалах, инспекции труднодоступных зон инфраструктуры, экологического мониторинга в заповедниках. До сих пор эти задачи требовали либо крупных, сложных роботов, либо жертвовали проходимостью ради миниатюрности.

Читайте также: другом экспериментальном роботе для научных исследований.

Авторы подчёркивают: данный прототип — демонстрация принципа, а не готовый продукт. Предстоит работа по оснащению такого механизма сенсорами, источником питания и системой автономного управления. Тем не менее сам принцип геометрически контролируемого щелчка упругих стержней — новый и достаточно универсальный, чтобы влиять на целое направление разработки микророботов.