Прыгающий мини-робот преодолеет сложные рельефы и переместит грузы

Роботы размером с насекомых могут протиснуться, например, в разрушенное здание, чтобы искать раненых после катаклизмов. Однако, перемещаясь через завалы, крошечные ползуны столкнулись бы с чрезмерными препятствиями или с наклонными поверхностями, с которых легко соскользнуть.


Летающие роботы выше таких угроз, но затраты энергии для полёта весьма ограничивают дальность действий в завалах, прежде чем придётся вернуться на базу для подзарядки.

Чтобы сочетать преимущества обоих способов передвижения, учёные из Массачусетского технологического института (MIT) придумали и собрали робота-прыгуна, который может перескакивать через препятствия и перемещаться по склонам и бугристым поверхностям, расходуя гораздо меньше энергии, чем коллеги-летуны.

Прыгающий робот размером с мизинец и весом легче канцелярской скрепки снабжён пружинящей ножкой, которая подбрасывает его вверх, и четырьмя модулями с крыльями, которые придают подъёмную силу и управляют ориентацией.

Робот подпрыгивает примерно на 20 см, то есть вчетверо выше собственного роста, с боковой скоростью около 30 см в секунду, и без проблем передвигается по льду, мокрым поверхностям, неровной почве и даже… по движущемуся дрону. При этом прыгающий робот расходует примерно на 60% меньше энергии, чем его летающие подобия.



Благодаря лёгкости и прочности, а также энергоэффективности во время прыжков, робот может нести примерно вдесятеро больше полезной нагрузки, чем летун сходного размера, что открывает множество новых возможностей.

Аспирант MIT Йи-Сюань Сяо рассказал, что возможность разместить на борту прыгающего робота аккумуляторы, схемы и датчики стала гораздо более осуществимой, чем на летающем устройстве.


— Сяо.

Прыжки свойственны насекомым, от блох до кузнечиков. Хотя среди роботов-насекомых, которые обычно летают или ползают, прыжки встречаются реже, они дают много преимуществ с точки зрения энергоэффективности.

Когда робот подскакивает, он преобразует потенциальную энергию, которая возникает в воздухе, в кинетическую при снижении. Она же в свою очередь преобразуется обратно в потенциальную, когда он ударяется оземь, затем обратно в кинетическую при подъёме, и так далее, и тому подобное.

Чтобы предельно повысить эффективность, робота из MIT оснастили эластичной ногой, похожей, по сути, на пружинящую кнопку в авторучке. Нога преобразует скорость падения робота в скорость подъёма, когда он «топает» о землю.

Когда робот взмывает, крылья обеспечивают подъёмную силу, благодаря чему прыгун остаётся в вертикальном положении и принимает должную ориентацию для следующего прыжка. Четыре механизма крыльев активируются мягкими приводами типа искусственных мышц, которые достаточно прочны, чтобы выдерживать многократную тряску от столкновений с землёй.


— Сяо.

Ключевым фактором, влияющим на производительность, стал быстрый механизм управления прыгуном, который определяет, как следует ориентироваться для следующего прыжка. Процесс этот выполняется с помощью внешней системы отслеживания движений, а алгоритм наблюдения на основе показаний датчиков вычисляет необходимое для управления.

Когда робот прыгает, он чертит баллистическую дугу. На пике траектории программное обеспечение предсказывает, как пройдёт соприкосновение с твердью. Затем, исходя из целевой точки при снижении, контроллер рассчитывает наилучшую скорость взлёта для очередного рывка. В воздухе робот пускает в дело крылья, чтобы скорректировать положение и снизиться под правильным углом и при правильной оси, дабы двигаться в нужном направлении с оптимальной скоростью.

Крылатого прыгуна и его механизм управления испытали на различных поверхностях, включая траву, лёд, влажное стекло и неровную почву, — он успешно передвигался по всем твердям. Робот мог даже прыгать на поверхности, которая динамически наклонялась.




— Сяо.

Поскольку контроллер функционирует на разных поверхностях, робот способен легко переходить с одной на другую, не сбавляя темпа. Например, чтобы прыгать через траву, требуется больше усилий, чем чтобы перепрыгнуть через стекло, поскольку травинки гасят высоту прыжка. Но контроллер умеет подавать больше энергии на крылья робота во время фазы полёта, чтобы компенсировать это.

Благодаря миниатюрности и лёгковесности робот обладает меньшим моментом инерции, что делает его более манёвренным, чем устройства покрупнее, и более крепким при столкновениях. (Момент инерции — это физическая величина, которая характеризует распределение массы относительно оси вращения и определяет инерционные свойства во вращательном движении).

Исследователи продемонстрировали его ловкость, выполнив акробатические трюки. Сверхлёгкий робот, например, сумел благополучно запрыгнуть на летящий дрон.

В дальнейшем инженеры планируют использовать потенциал робота к перемещению тяжестей, установив на него аккумуляторы, датчики и другие схемы в надежде, что прыгун проявит автономность за пределами лаборатории.