Он одинаково аккуратно способен удерживать молоток и лампочку, сырое яйцо и монетку, авторучку и амортизатор, ничего заранее о них не зная. Таков новый робототехнический манипулятор – один из самых деликатных в мире. Чтобы создать его, разработчикам понадобилось всего ничего: немного технического мастерства, резиновый мячик и молотый кофе.
Эластичный шар «с секретом», прилаженный к руке робота, оказался очень способным устройством (фото John Amend, Cornell University).
Универсальный робототехнический захват (universal robotic gripper) построили учёные и инженеры из университетов Чикаго (UChicago) и Корнелла (Cornell), корпорации iRobot и пентагоновского агентства передовых оборонных исследований DARPA.
Ключевая деталь новинки – шарик из латекса, набитый молотым кофе, но не туго. Когда робот опускает шарик на предмет, поверхность манипулятора легко деформируется, словно обнимая все выступы. Далее из шарика откачивается воздух, частицы кофе тут же сцепляются между собой и превращают захват в твёрдое тело.
Так выглядит бережное удержание куриного яйца новым манипулятором. Американские учёные сообщают, что для захвата объектов оказалось достаточно, чтобы объём шарика менялся всего на 0,5% (фото John Amend, Cornell University).
Один из авторов системы Ход Липсон (Hod Lipson) из Корнелла объясняет: «Зёрна кофе похожи на множество мелких шестерёнок. Когда они не прижаты друг к другу, зёрнышки могут переворачиваться и „течь“. Если же они хотя бы немного сдавлены, „зубья“ блокируются и весь массив становится твёрдым».
Компания iRobot, кстати, не первый раз сотрудничает с чикагскими исследователями: ранее по заказу DARPA эти же партнёры явили на свет прототип растекающегося химбота. И в последнем применялся похожий принцип. В роботе было устроено множество отсеков с россыпью твёрдых частиц. Заполнение этих камер воздухом или его откачка меняли форму и твёрдость соответствующего участка машины.
Многие инженеры, пытаясь создать бережные манипуляторы, идут по пути копирования природы – проектируют пятипалые кисти. Получается порой очень неплохо. Но такие системы, в противовес показанной на снимке, нуждаются во множестве управляемых сочленений, сенсорах, фиксирующих усилие на каждом пальце, и софте, способном правильно обращаться с разными по хрупкости предметами. «Кофейный» же захват автоматически приспосабливается практически ко всему без всякого обдумывания (фото John Amend, Cornell University).
Эффект «перемены зажимания» (jamming transition) можно найти в быту. Вакуумированный пакет со всё тем же молотым кофе твёрд едва ли не как кирпич до тех пор, пока не вскроешь упаковку и не впустишь в неё воздух.
Физики используют эту концепцию и эту модель для прогнозирования поведения широкого спектра неупорядоченных аморфных материалов, которые в зависимости от условий демонстрируют свойства жидкости и твёрдого тела.
Слева: один из участников нового проекта – чикагский физик Генрих Джегер (Heinrich Jaeger) – держит прототип мягкого захвата. Джегер известен нам по открытию необычного поведения песка и уже упомянутому химботу. Как видим, пересечение разных интересов позволило Генриху и его товарищам найти применение известному явлению в сфере, о которой никто поначалу и не думал. Джегер, Николас Роденберг (Nicholas Rodenberg) и Эрик Браун (Eric Brown, справа) отвечали за теоретические расчёты работы эластичного механизма (фото Lloyd DeGrane, University of Chicago).
В принципе, практически любой гранулированный материал подойдёт для наполнения универсального манипулятора, хотя и с разными результатами. Наверное, в будущем для таких механизмов удастся подобрать какой-нибудь полимер.
Сами создатели устройства поначалу испытывали в роли наполнителя песок, микроскопические стеклянные шарики, рис, кус-кус и даже перемолотые шины. В конце концов учёные остановились на кофе. У него оказалось самое удачное сочетание хороших удерживающих свойств и низкого веса.
Испытания робота показали, что он одинаково легко приспосабливает форму шарика под самые разные предметы. При этом усилие захвата оказалось во много раз больше веса предметов (фото John Amend, Cornell University).
Физики выделили три механизма, помогающие создавать удерживающую силу: трение, разряжение и блокировку частей диковинного манипулятора. (Результаты испытания устройства его авторы опубликовали в статье в PNAS, смотрите также пресс-релиз университета Чикаго.)
Мягкий универсальный захват может пригодиться в разных областях — от военной (бережное обращение со взрывными устройствами) до медицинской (протезы, хирургические роботы). Более крупные «шарики с кофе» могли бы поднимать со стола сразу много мелких предметов без необходимости в их распознавании системами машинного зрения. И похожие манипуляторы могли бы позволить роботам ходить по вертикальным неровным поверхностям.
Джон Аменд (John Amend, слева) и Ход Липсон из Корнелла. Они совместно с представителями iRobot построили и испытали «кофейный» манипулятор (фото Robert Barker, Cornell Chronicle).
Создание опытного образца универсального манипулятора финансировало DARPA. Но дальнейшая судьба изобретения туманна. Со слов Липсона, построенный захват несложен и мог бы оказаться на рынке хоть завтра. Видимо, это прозрачный намёк в сторону корпорации iRobot, но та о внедрении новинки пока ничего не говорит.
Леонид Попов
Пожалуйста оцените статью и поделитесь своим мнением в комментариях — это очень важно для нас!
