Физики придумали робота со свойствами жидкости и твёрдого тела одновременно

Физики разрабатывают модульного робота со свойствами и жидкости, и твёрдого тела. Конструкция позволяет отдельным блокам двигаться как сплочённое целое.

Что общего у косяка рыб, пчелосемьи и синхронного полёта сотен скворцов в стае? Они проявляют поведение, которое называется роением. Иными словами, движутся синхронно, как бы в составе жидкости, изменяющей форму. Специалисты из Чикаго решили взглянуть на явление через призму механики, чтобы применить принципы физики в робототехнике.



Способность роя менять форму подобно жидкости, двигаться согласованно без каких-либо сигналов от вожака и реагировать на окружающие условия вдохновила коллектив авторов на изобретение, которое они назвали Granulobot («Гранулобот»), то есть состоящий из небольших элементов. Представленный образец может разъединяться на части, собираться опять и перестраиваться для адаптации к окружающим условиям. И в зависимости от конфигурации может действовать как твёрдое тело либо текучая жидкость. Совокупность деталей «стирает различия между роботами разного типа — мягкими, модульными и роевыми», отметили изобретатели, описывая прототип в журнале Science Robotics («Научная робототехника»).

«Гранулированный робот» — это комплекс из цилиндрических деталей, похожих на шестерни с парой магнитов, вращающихся вокруг оси. Один магнит в каждом «бочонке» вращается свободно, а другой приводится в движение двигателем на батарейках. Конструкция даёт возможность элементам соединяться за счёт притяжения магнитов, а затем толкать соседние детали и заставлять их вращаться. Взаимодействие элементов запускает движение агрегата в целом.



На иллюстрации красные стрелки указывают направление вращения приводимых в действие магнитов. Синие — процесс перегруппировки. Отдельные блоки «Гранулобота» могут вращаться и с помощью магнита «слипаться» в более крупные блоки, которые умеют перекатываться. Оказывая крутящее влияние на соседей, отдельные узлы и группы узлов могут изменять их положение, то есть форму сборки. За счёт крутящего момента, превышающего магнитную связь между соседними блоками, они могут отделяться и самостоятельно формировать автономных, отдельных роботов.

Система, меняющая форму, способна забираться в укромные уголки и трещины. И то, и другое было бы полезно, например, при поисково-спасательных работах, объяснил Генрих Ягер, профессор физики Чикагского университета.

Чтобы робот умел изменять форму и выполнять различные функции, крайне важна его способность варьировать жёсткость и мягкость, как того потребует момент. Подобное происходит, когда частицы в неупорядоченной системе оказываются настолько близко друг к другу, что сталкиваются между собой, и их «текучесть» прекращается. Генрих Ягер сравнил это с вождением по шоссе: если столкнуться бампер к бамперу с другими автомобилями, то движение со скрежетом стопорится. Когда это происходит в материале из подвижных элементов, добавил Ягер, то наблюдается, по сути, тот же затор.

Ещё один пример — пачка молотого кофе в вакуумной упаковке. Если нарушить упаковку, то порошок может высыпаться. Такой принцип оказался настолько хорош, что эти же изобретатели использовали его ранее, в 2010 году, для конструкции мягкого роботизированного захвата (на фото ниже), который способен удерживать предметы независимо от их формы.



Цилиндры, из которых состоит «Гранулобот», больше, чем крупицы кофе, но принцип аналогичный. «Затор» из элементов — главное для того, чтобы «Гранулобот» мог переключиться от податливости к твёрдости конструкции.

Генрих Ягер пояснил, что на лежащие в основе «Гранулобота» физические принципы не влияют масштаб или температура. Поэтому варианты такого устройства могут быть разных размеров и служить, например, под водой или в открытом космосе.