NatComm: Искусственные мышцы заставляют роботизированную ногу ходить и прыгать

Уже почти 70 лет изобретатели создают роботов, и все эти машины работают на моторах — технологии, которой уже 200 лет. Даже ходячие роботы оснащены руками и ногами с моторами, поэтому они не такие мобильные и адаптивные, как люди и животные.

Исследователи из Высшей технической школы Цюриха и Института интеллектуальных систем Макса Планка разработали новую роботизированную ногу с мускульным приводом. Она энергоэффективнее обычной, может высоко прыгать, быстро двигаться и обходить препятствия без сложных датчиков.

Работу над проектом вели Роберт Катцшманн из ETH Zurich и Кристоф Кеплингер из MPI-IS в рамках исследовательского партнёрства под названием Центр обучающихся систем Макса Планка ETH (CLS). Докторанты Томас Бухнер и Тосихико Фукусима — соавторы статьи о новой ноге, опубликованной в журнале Nature Communications.

Электрический заряд, как у воздушного шара

Мышцы-разгибатели и мышцы-сгибатели обеспечивают движение роботизированной ноги в обоих направлениях, как у людей и животных.

HASELs — это электрогидравлические актуаторы, которые крепятся к скелету с помощью сухожилий. Они представляют собой заполненные маслом пластиковые пакеты, похожие на те, что используются для изготовления кубиков льда. Примерно половина каждого пакета покрыта с обеих сторон чёрным электродом из проводящего материала. Бюхнер объясняет принцип их работы на примере статического электричества: «как только мы подаём напряжение на электроды, они притягиваются друг к другу». При увеличении напряжения электроды сближаются и толкают масло в мешке в одну сторону, делая мешок короче.

Приводы, прикреплённые к скелету, приводят в движение мышцы. Одна мышца сокращается, а другая, парная ей, удлиняется — как у живых существ. Исследователи используют компьютерный код, чтобы контролировать работу актуаторов: какие должны сокращаться, а какие — растягиваться.

Эффективнее, чем электромоторы

Исследователи сравнили энергоэффективность своей роботизированной ноги с обычной ногой, работающей от электродвигателя. Они проанализировали, сколько энергии без необходимости преобразуется в тепло.

Бюхнер отметил, что на инфракрасном изображении видно, как моторизованная нога потребляет гораздо больше энергии, если ей приходится занимать согнутое положение. В электрогидравлической ноге температура остаётся неизменной, потому что искусственная мышца электростатична. Это похоже на пример с воздушным шариком и волосом, когда волос остаётся приклеенным к шарику довольно долго.

Фукусима добавил, что роботам с электроприводом нужно управление теплом, для чего требуются дополнительные радиаторы или вентиляторы. А их система в этом не нуждается.

Маневренное передвижение по неровной местности

Роботизированная нога может подпрыгнуть, потому что она способна поднимать свой вес взрывным способом. Эта нога очень адаптивная, что важно для мягкой робототехники. Эластичный опорно-двигательный аппарат легко приспосабливается к поверхности.

Катцшманн объясняет:

У живых существ всё по-другому. Если мы не можем согнуть колени, ходить по неровной поверхности гораздо сложнее. Представьте, что вы спускаетесь с тротуара на дорогу.

В отличие от электродвигателей, которым нужны датчики, чтобы отслеживать угол наклона роботизированной ноги, искусственная мышца адаптируется к положению благодаря взаимодействию с окружающей средой.

Для этого ей нужно всего два сигнала: один для сгибания сустава и один — для разгибания. Фукусима объясняет, что адаптация к местности очень важна. Например, когда человек приземляется после прыжка, ему не нужно заранее думать о том, под каким углом согнуть колени. То же самое относится и к опорно-двигательной системе роботизированной ноги: при приземлении сустав адаптивно перемещается под нужным углом в зависимости от поверхности.

Новая технология открывает новые возможности

Область исследований электрогидравлических приводов появилась около шести лет назад.

Кеплингер отмечает, что в робототехнике наблюдается быстрый прогресс в области передовых систем управления и машинного обучения. В то же время в другой не менее важной области робототехники прогресс был гораздо меньше.

Катцшманн считает, что электрогидравлические приводы вряд ли будут использоваться в тяжёлой технике на строительных площадках. Однако они обладают преимуществами по сравнению со стандартными электродвигателями. Это особенно заметно в таких приложениях, как захваты, где движения должны быть индивидуальными в зависимости от объекта (мяч, яйцо или помидор).

У Кацшмана есть замечание:

Наша система всё ещё ограничена по сравнению с шагающими роботами с электродвигателями. Сейчас нога прикреплена к стержню и прыгает по кругу, она не может свободно двигаться.

Будущая работа должна преодолеть эти ограничения и создать настоящих шагающих роботов с искусственными мышцами.

Кацшман предполагает, что в будущем мы сможем использовать робота-спасателя, если объединим роботизированную ногу в четвероногого или гуманоидного робота и запитаем его от батарей.

Результаты опубликованы в издании Nature Communications.

09.09.2024