Мягкий робот способный расти и перемещаться по труднодоступным местам

Мягкий и растущий: инженеры презентовали весьма необычного робота

Изменить размер текста Аа

Исследователи из Стэнфордского университета представили последние достижения робототехники.

Инженеры из Стэнфордского университета вдохновились принципами роста побегов винограда, грибных гиф и аксонов (длинных отростков нервных клеток) и представили принципиально новую концепцию робототехники, которая предполагает создание лианообразных роботов.

При этом разработанные ими автоматические механизмы будут обладать обширными областями применения.

Обратите внимание

Так, например, подобные роботы-лианы будут весьма удобны для спасателей, которые смогут проникать в практически недоступные места и благодаря строенной камере производить разведку завалов и других труднодоступных мест.

Разработчики отмечают, что пока они пытаются понять основы нового подхода к принципам передвижения подобных роботов. Впрочем, им уже удалось добиться значительных результатов. Созданный инженерами робот представляет собой полую мягкую трубку, свернутую внутрь себя (как носок).

Принцип движения реализуется довольно просто — при наполнении полости воздухом робот разворачивается и продвигается в заданном направлении. Максимальная длина, до которой вырастает робот, составляет 72 метра. Предельная скорость подобного «роста» около 10 м/с, что является довольно впечатляющим результатом.

При этом вместо сжатого воздуха можно использовать жидкость.

Подобный способ передвижения позволяет преодолевать многие препятствия без затрат дополнительных усилий и без энергоемких высокотехнологичных систем управления.

Этот робот может проникать в самые труднодоступные места и предоставлять оттуда видео, а также расставлять датчики в соответствии с задачами.

 Если это поисково-спасательный робот, то он установит датчик концентрации углекислого газа, который может помочь обнаружить засыпанную под обломками группу людей.

Однако инженеры признают и наличие некоторых проблем. Одна из них также связана с управлением. Да, робот может проникать в труднодоступные места, однако для достижения необходимой эффективности управления необходимо обладать точной моделью передвижения. В случае с мягким роботом подобная задача весьма трудновыполнима.

Впрочем перспективы подобной робототехники перевешивают все минусы и позволяют продолжать развивать это направление.

Важно

Одним из самых перспективных направлений, наряду со спасательными операциями, является проведение хирургических вмешательств.

Благодаря такому роботу некоторые операции можно будет проводить с минимальным уроном для пациента, что сократит время реабилитации и позволит осуществлять хирургическое вмешательство практически без наркоза. 

Читайте iReactor в Яндексе

Подсчёт количества путей робота на сетке

Представьте себе робота, находящегося в левом верхнем углу сетки с координатами (X, Y). Робот может перемещаться в двух направлениях: вправо и вниз. Сколько существует маршрутов, проходящих от точки (0, 0) до точки (X, Y)?

Дополнительно:

Предположите, что на сетке существуют области, которые робот не может пересекать. Разработайте алгоритм построения маршрута от левого верхнего до правого нижнего угла.

Решение

Нам нужно подсчитать количество вариантов прохождения дистанции с Х шагов вправо и Y шагов вниз (X + Y шагов).

Чтобы создать путь, мы делаем Х шагов вправо так, чтобы общее количество перемещений оставалось фиксированным (X + Y). Таким образом, количество путей должно совпадать с количеством способов выбрать Х элементов из X + Y, то есть биномиальным коэффициентом. Биномиальный коэффициент из n по r имеет вид:

Для нашей задачи выражение будет следующим:

Даже если вы незнакомы с комбинаторикой, то все равно можете найти решение этой задачи самостоятельно.

Представим путь как строку длиной X + Y, состоящую из X символов R и Y символов D. Мы знаем, что из X + Y неповторяющихся символов мы можем составить (X + Y)! строк.

Но в нашем случае используется X символов R и Y символов D. Символы R могут быть расставлены X! способами (то же самое мы можем сделать и с символами D). Таким образом, необходимо убрать лишние строки X! и Y!.

В итоге мы получим то же самое выражение:

Дополнительно

Найдите маршрут (на карте есть места, через которые не может пройти робот).

Если мы изобразим нашу карту, то единственный способ попасть в квадрат (X, Y) — оказаться в одном из смежных квадратов: (X-1, Y) или (X, Y-1). Следовательно, необходимо найти путь к любому из этих квадратов ((X-1, Y) или (X, Y-1)).

Как это осуществить? Чтобы найти путь в квадрат (X-1, Y) или (X, Y-1), мы должны оказаться в одной из смежных ячеек. То есть нам необходимо найти путь к квадрату, смежному с (X-1, Y) ((X-2, Y) и (X-1, Y-1)) или (X, Y-1) ((X-1, Y-1) и (X, Y-2)). Обратите внимание: в наших рассуждениях точка (X-1, Y-1) упоминается дважды, мы еще вернемся к этому факту.

Давайте попробуем найти путь от исходного квадрата, двигаясь в обратном направлении, — начинаем с последней ячейки и пытаемся найти путь к каждому смежному квадрату. Далее приведен рекурсивный код, реализующий наш алгоритм.

public boolean getPath(int x, int y, ArrayList path) { Point p = new Point(x, y); path.add(p); if (x == 0 && y == 0) { return true; // найти путь } bolean success = false; if (x >= 1 && isFree(x – 1, y)) { // Пытаемся идти вправо success = getpath(x – 1, y, path); // Свободно! Можно идти вправо } if ( !success && y >= 1 && isFree(x, y – 1)) { // Пытаемся идти вниз success = getPath(x, y – 1, path); // Свободно! Можно идти вниз } if (!success) { path.remove(p); // Неверный путь! Прекратить движение этим маршрутом } return success;
}Совет

Помните, что маршруты дублируются? Чтобы найти все пути к (X, Y), мы находим все пути к (X-1, Y) и (X, Y-1). Затем мы смотрим на координаты смежных квадратов: (X-2, Y), (X-1, Y-1), (X-1, Y-1) и (X, Y-2). Квадрат (X-1, Y-1) появляется дважды. Давайте будем запоминать посещенные квадраты, чтобы не тратить на них время.

Это можно сделать с помощью следующего алгоритма динамического программирования:

public Boolean getPath(int x, int y, ArrayList path,
Hashtable cache){ Point p = new Point(x, y); if (cache.containsKey(p)) { // Мы уже посещали эту ячейку return cache.get(p); } path.add(p); if (x == 0 && y == 0) { return true; // Найден путь } boolean success = false; if (x >= 1 && isFree(X – 1, Y)) { //Пытаемся идти вправо success = getPath(x – 1, y, path, cache); // Свободно! Можно идти вправо } if (!success && y >= 1 && isFree(x, y – 1)) { // Пытаемся идти вниз success = getPath(x, y – 1, path, cache); // Свободно! Можно идти вниз } if (!success) { path.remove(p); //Неверный путь! Прекратить движение этим маршрутом } cache.put(p, success); // Вычисляем результат return success;
}

Это простое изменение сделает наш код более быстрым.

Робототехника в России: развитие и применение

На сегодняшний день робототехника в России является одной из наиболее стремительно развивающихся отраслей. Для того чтобы понять насколько плотно роботы вошли в повседневную жизнь человека стоит разобраться, что такое робот.

Робот – это автоматизированный механизм, который способен самостоятельно выполнять какие-либо функции. Таким образом, роботом можно назвать даже обычную стиральную машинку, которая есть практически в каждом доме. Роботы трудятся на заводах, в медицинских лабораториях, а также на военных базах и в космических миссиях.

Применение роботов существенно упрощает жизнь людей, а также открывает перед человечеством массу новых, практически безграничных возможностей. Ведь роботы способны работать там, где нет доступа человеку, к примеру, роботы уже побывали на других планетах, доставив ученым образцы пород, жидкостей и других веществ, что помогло сделать огромный шаг в изучении вселенной.

1. Развитие робототехники в России

Если говорить о повседневной жизни простых людей, то роботы значительно упрощают массу повседневных задач людей. Современная робототехника России развивается в нескольких направлениях. Каждое из них развивается отдельно.

В зависимости от назначения роботы могут иметь самые разнообразные формы и возможности. Узкая специализация позволяет создавать таких роботов, которые способны выполнять только одну задачу, однако выполняемую на 100% идеально.

Итак, как уже говорилось выше, существует несколько направлений развития робототехники в России.

1.1. Промышленные роботы

Разработка специальных промышленных роботов, которые будут заменять людей на производстве, а также в научных лабораториях. Это очень важная отрасль робототехники, так как машины заменяют людей в условиях опасных для здоровья, а также в тех областях, в которых существует большой риск для жизни.

Промышленные роботы являют собой автоматически управляемую систему, управление которой осуществляется посредством специального программного обеспечения либо манипулятора. В подавляющем большинстве случаев – это автономные системы, для работы которых нужно загрузить требуемую программу, однако существуют машины и с ручным управлением.

Стоит отметить, что первым роботом, который появился в мире, был именно промышленный механизм, который использовался в автомобилестроении. Современные промышленные роботы способны не просто заменить человека, они более точные и вы выполняют более ответственные и ювелирные функции. Кроме этого они работают в таких средах, которые несут смертельную опасность для человека.

1.2. Космические и военные роботы

В военной промышленности роботы выполняют функции, как действующей силы, так и помощников для военнослужащих. К примеру, роботы для переноски и погрузки тяжелых грузов. А представьте, сколько жизней могут, и спасли, роботы саперы. Ведь им не страшны взрывы, и даже если бомба повредит робота, то его можно восстановить, чего нельзя сказать о человеческой жизни.

Уже достаточно длительное время ведутся активные разработки экзоскилетов. Конечно же, военные не откроют всех секретов, и то, что известно широким массам о военной технике и роботах – это всего лишь малая часть того, что есть на самом деле.

1.3. Бытовые роботы

Данный вид роботов создается с одной целью – помогать обычным людям в повседневной жизни. То есть в ведении хозяйства, повседневных дел, в учебе и так далее.

Такие роботы уже достаточно плотно вошли в жизнь людей.

Они постоянно развиваются, на рынки выходят новые виды автоматизированных автономных устройств, к примеру, роботы пылесосы, которые осуществляют уборку дома без вмешательства человека.

Стоит отметить, что изначально планировалось, что именно бытовые роботы станут наиболее распространенными, однако это не так. Хотя можно отметить тенденции на увеличение спроса таких устройств.

1.4. Роботы андроиды

Данный вид роботов наиболее всего ассоциируется у людей с книгами и фильмами о будущем, ведь они имеют вид человека и способны выполнять функции людей. Их вполне заслуженно можно назвать универсальными, так как они совмещают в себе качества и возможности всех выше указанных типов роботов.

Роботы-андроиды находятся на стадии разработки, хотя уже существуют достаточно успешные модели, а учитывая скорость развития технология, можно только представить себе, каких высот смогут достичь ученые уже через 10-20 лет.

2. История развития российской робототехники

Как и в любой другой стране, история российской робототехники имеет тесную связь с развитие электронно-вычислительных машин (ЭВМ). И хотя наука робототехника и роботы существуют уже достаточно давно, четкого определения слову «робот» до сих пор нет. Из-за этого среди историков появляются некоторые споры, так как сложно сказать, когда же появился первый робот.

Известно, что в далеком 1936 году советским школьником по имени Вадим Мацкевич был создан настоящий робот, который мог поднимать правую руку. Для его создания мальчику потребовалось потратить два года в токарных мастерских. Конечно же, изобретением сразу же заинтересовались российские ученые другие структуры. А в 1937 году устройство школьника попало на выставку в Париже.

Однако, несмотря на это к разработке первого робота в России приступили лишь спустя 32 года в 1969 году. В планах было построить промышленного робота, который назывался «Универсал-50». Именно «Универса-50» стал толчком для активного внедрения роботов в советскую промышленность.

3. Большой скачок. Робототехника: Видео

За время холодной войны российская робототехника сильной шагнула вперед. Были созданы тысячи разнообразных роботов. Однако после 1994 года все загадочным образом исчезло. Хотя можно предположить, что после окончания холодной войны все было засекречено, а современные разработки велись под грифом «секретно».

С того времени и до наших дней технологии прошли огромный путь, а современные роботы сильно изменились. Они стали более продвинутыми, высокотехнологичными, точными и функциональными. Им достается самая тяжелая работа в чрезвычайно опасных ситуациях. К примеру, роботы-пожарные, саперы, измерители уровня радиации, а также другие виды роботов каждый день спасают здоровье и жизни людей.

Кроме обычных роботов, ведутся разработки и миниатюрных моделей, а также нанороботов. Микро и мини-роботы уже сегодня способны перемещаться по труднодоступным местам, обследовать технику, а также устранять неисправности.

Нанотехнологии, в частности нанороботы, открывают перед учеными новые неизведанные миры. С их помощью можно понять устройство вселенной и получить ответ на главный вопрос, как и откуда все возникло.

Однако нанотехнологии открывают и другие грани, к примеру, в медицине. Мельчайшие роботы могут путешествовать по организму человека, устраняя вредоносные бактерии, устраняя вирусы и осуществляя лечение.

Как вы видите, вклад робототехники в жизнь людей просто огромен. Именно поэтому российская робототехника так активно развивается. Благодаря этому мир будущего доступен людям уже сегодня. И можно только представить, что будет завтра.

Описание движения мобильного робота | РОБОТОША

Мобильный робот перемещается для решения тех или иных задач, получает данные с внешних датчиков, и должен постоянно обрабатывать информацию, чтобы управлять своим движением.

Все эти процессы происходят непрерывно и тесно взаимосвязаны друг с другом. Сегодня речь пойдет об основных конфигурациях колесных роботов и том, как математически описываются их перемещения.

Этот материал поможет выбрать колесную конфигурацию для своего мобильного робота.

Мобильные роботы могут перемещаться в различных средах: в водной, воздушной, по земле, в космосе. И движение в каждой среде имеет свои особенности, связанные с их различными физическими свойствами.

Обратите внимание

В этой публикации я рассмотрю колесных роботов, которые способны перемещаться по достаточно плоским поверхностям.

При разработке системы перемещения робота необходимо учитывать следующие моменты:

• скорость или ускорение движения
• точность позиционирования (повторяемость)
• гибкость и робастность (надежность) при различных условиях
• эффективность (низкое энергопотребление)

Система координат

Для того чтобы математически описать движение мобильного робота нам потребуется определить системы координат. Я введу две системы координат —  мировую систему координат W (буду считать что он неподвижна в пространстве), и система координат робота R, которая перемещается в пространстве и остается неподвижной относительно самого робота.

Системы координат

Нам необходимо определить местоположение робота, то есть мы хотим знать, как преобразовывать координаты между W и R.

Степени свободы движения

Число степеней свободы определяет минимальное количество независимых переменных (обобщённых координат), необходимых для полного описания движения механической системы.

Твердое тело, которое перемещается и вращается двигаясь по одномерному пути имеет одну степень свободы — поступательную. В качестве примера можно привезти поезд, движущийся по рельсам.

Твердое тело, которое перемещается и вращается на плоскости имеет 3 степени свободы: 2 поступательных и 1 вращательную. Пример: наземный робот.

Твердое тело, которое перемещается и вращается в 3D-объеме имеет 6 степеней свободы: 3 поступательных и 3 вращательных. Пример: летающий робот.

Всенаправленное колесо

Особый случай — это так называемый голономный робот, который способен перемещаться мгновенно в любом направлении в пространстве его степеней свободы (робот является голономным если число управляемых степеней свободы равно полному числу степеней свободы). Голономные роботы существуют, но требуют множество моторов и необычный конструктив, что зачастую очень непрактично. Однако, наземные голономные роботы могут быть реализованы с использованием всенаправленных колес (omni-wheels).

На видео показан пример четырехколесного робота со всенаправленными колесами.

 

Конфигурации колесных роботов

Существует множество различных конфигураций мобильных роботов.

Есть те, которые применяются реже, например, двухколесная платформа сигвей (segway) с динамическим балансом обладает хорошей высотой при малой площади и достаточно большим ускорением.

Или марсоход Opportunity, который имеет колеса на штангах для преодоления больших препятсвий.

Но чаще применяются другие типы конфигураций.

Это простые, надежные, прочные механизмы, пригодные для роботов, которые в основном передвигаются по плоскости.

Важно

Все эти роботы неголономны (используется два двигателя, но три степени свободы движения). Например, автомобилеподобный робот не может мгновенно двигаться в сторону.

Стандартный колесные конфигурации

Робот с дифференциальным приводом

Дифференциальный привод

Такая конфигурация используется в роботах-пылесосах.

Робот с дифференциальным приводом имеет два мотора, по одному на каждое колесо (на рисунке — это большие колеса). Изменение направления движения достигается за счет разных скоростей (отсюда и название — дифференциальный).

• Для прямолинейного движения колеса должны вращаться с одинаковыми скоростями.
• Для того, чтобы робот развернулся на месте, необходимо установить скорости одинаковыми по модулю, но направленными противоположно.
• Другие комбинации скоростей приводят к движению по дуге

Движение по дуге

Обозначим скорости колес (линейные скорости с которыми они «покрывают» поверхность) и – для левого и правого колес, соответственно, ирасстояние между колесами.

• Прямолинейное движение, если
• Разворот на месте, если 
• В более общем случае — движение по дуге

Для того, чтобы найти радиускриволинейного пути, рассмотрим период движения, в течении которого робот движется вдоль дуги окружности, имеющей угол .

• Левое колесо: пройденное расстояние =; радиус дуги = 
• Правое колесо: пройденное расстояние =; радиус дуги = 
• Обе колесные дуги имеют в основании один и тот же угол 

Автомобиль/Трицикл/Реечно-зубчатый привод

Такой тип роботов имеет два мотора — один для движения, другой для рулежки.

• Не может нормально развернуться на месте.
• При постоянной скорости и угле поворота движется по дуге окружности.
• В четырехколесной схеме необходим задний дифференциал и переменная связь («Принцип Аккермана») на рулевые колеса.

Круговое движение трехколесного робота

При условии, что отсутствует боковая пробуксовка колес, пересечем оси передних и задних колес, чтобы сформировать прямоугольный треугольник, и в результате получим:

Радиус траектории, которую описывают задние колеса:

За времярасстояние вдоль этой дуги окружности, пройденное приводными колесами равно, поэтому уголна который повернется робот:

Зубчатая передача

Двигатели постоянного тока, как правило, обладают высокой скоростью вращения и низким крутящим момент, поэтому зубчатая передача практически всегда необходима для управления роботом.

Зубчатые передачи

Если Передача 1 имеет крутящий момент , она оказывает тангенциальную силу

на Передачу 2. Крутящий момент Передачи 2 поэтому

Изменение угловой скорости между Передачей 1 и Передачей 2 вычислим, рассмотрев скорость в точке где они соприкасаются:

• Когда маленькая шестерня приводит в движение большую, второе зубчатое колесо будет иметь более высокий крутящий момент и меньшую угловую скорость пропорционально соотношению зубьев.
• Для достижения комбинированного воздействия шестерни можно объединять в цепочки.

Оценка движения c помощью датчиков

Очень часто, робот оценивает свое движение путем мониторинга собственных датчиков. Это может быть, например напряжение электродвигателя и колесные датчики. Эта информация называется одометрией.

Например, на основе очень простой оценки:

Пройденное расстояние пропорционально напряжению и времени. Здесьявляется расчетной константой (используя знания электричества и геометрии), но также может быть получена в результате калибровки.

• Калибровка включает экспериментальное перемещение робота и сравнение фактического значения пройденного расстояния, со значением, полученным в результате теоретической оценки. Отношение фактического к теоретическому значениям и является коэффициентом калибровки.
• Если при повторных испытаниях будет наблюдаться расхождения в полученных значениях, мы можем повысить точность путем изменения значения констант в наших выражений (таких как ), а затем повторить процесс.

Энкодеры дают большую точность измерения числа оборотов колес. Информация с энкодера может быть преобразована в линейное расстояние умножением на постоянный радиус колеса. Но все же, как правило, для большей точности, все равно проводится калибровка.

Движение и состояние робота для плоскости

Если предположить, что робот ограничивается перемещением на плоскости, его местоположение может быть определено вектором состояния, состоящем из трех параметров:

 и определяют местоположение предопределенной точки «центра робота» в мировой системе координат.

определяет угол поворота между системами координат (угол между осямии).

Две системы координат совпадают в момент, когда центр робота находится в начале координат и.

Интегральное движение на плоскости

Получая перемещения робота в некоторые моменты времени, мы можем найти весь путь, пройденный роботом, просуммировав эти значения, или перейдя к пределу (при стремлении количества измерений) — путем их интегрирования.

При движении на плоскости мы имеем три степени свободы для определения положения, представленныепри.

Рассмотрим робота, который может только двигаться вперед или поворачиваться на месте:

Движение робота на плоскости

При прямолинейном движении робота на расстояниеновое состояние будет выражено как:

Если присутствует только вращательное движение, при повороте на угол :

Оценка кругового 2D движения

Движение по окружности

Для случаев и дифференциального и трехколесного роботов мы можем получить выражения дляидля случая когда присутствует только движение по дуге окружности:

Планирование маршрута

Планирование маршрута, основываясь на положении

Если предположить, что роботу известно местоположение, и как оно относится к мировой системе координат, то планирование маршрута на основе его местоположения позволит ему двигаться по точному пути вдоль последовательности заранее определенных точек. Различные криволинейные траектории могут быть спланированы, с оптимизацией таких критериев, как время движения по маршруту или потребление энергии. Здесь я рассмотрю конкретный, достаточно простой случай, предполагая, что:

• Движение робота состоит из прямолинейных отрезков отдельно от разворотов на месте.
• Робот стремится свести к минимуму общее пройденное расстояние, так что он всегда сразу поворачивается лицом к следующей точке и едет прямо к ней.

На первом шаге планирования маршрута, предположим, что текущее положение роботаи следующей точкой маршрута является.

• Сначала робот должен повернуться к указанной точке. Вектор направления должен указывать на:

Значение абсолютного значения угла в градусах*** QuickLaTeX cannot compile formula:
alpha *** Error message:
Cannot connect to QuickLaTeX server: Operation timed out after 60000 milliseconds with 0 bytes received
Please make sure your server/PHP settings allow HTTP requests to external resources (“allow_url_fopen”, etc.)
These links might help in finding solution:
http://wordpress.org/extend/plugins/core-control/
http://wordpress.org/support/topic/an-unexpected-http-error-occurred-during-the-api-request-on-wordpress-3?replies=37

в который робот должен повернуться:

Необходимо убедиться, что находится в правильном квадранте, в промежутке.

• Робот уже повернут на определенный угол, поэтому угол на который он должен повернуться. Чтобы робот двигался наиболее эффективно, нужно сдвинуть угол, добавив или вычитая, чтобы.
• После этого, робот должен двигаться по прямой на расстояние.

 

Robo-пчелы

Пчёлы на марсе

Роверы большие, дорогие, требуют времени, чтобы ползти по земле, и могут застрять в мягкой земле. Все еще активный Curiosity rover и его отключенный сестринский дух такие же большие, как маленькие автомобили. Для сравнения, Рой “крылатых роботов” займет гораздо меньше места на борту транспортного корабля, будет двигаться быстрее и охватывать большую площадь за меньшее время.

Планируемые дроны невообразимо называются марсианскими пчелами. Согласно объявлению NASA, они размером с Шмель, который может расти от 0,4 до 1,6 дюйма в длину,с большими крыльями. (Связанный: Walmart только что подал шесть патентов на роботов-пчел – и это звучит как эпизод прямо из черного зеркала.)

Каждая пчела Марса будет нести датчики и беспроводную связь. Они будут использовать обычный Ровер в качестве мобильной базы и узла связи, во многом так же, как настоящие пчелы живут в улье и служат королевой.

Марсоходы будут служить ульями и королевами для роев роботов-пчел

По данным НАСА, Рой марсианских пчел вылетит исследовать местность вокруг реки. Они будут отправлять беспроводные отчеты о любых интересных находках своей королеве. Когда они бегут низко на силе, они возвратят к их механически улью и перезарядят их батареи.

Их миссии могут варьироваться от простых аэрофотосъемок до поиска признаков жизни, таких как метан. В прошлом Curiosity нюхал небольшие количества газа, но у rover не было правильных датчиков, чтобы узнать, пришел ли метан из органических форм жизни.

Использование многих небольших летающих роботов предлагает несколько преимуществ по сравнению с одним большим ровером, говорит НАСА. Рой-это одна большая мобильная сенсорная сеть, отдельные члены которой могут менять положение на лету, чтобы лучше исследовать местность.

Каждое Marsbee можно послать вне на своих-которое позволяет Рою покрыть более большую область – или быть заданным для работы наряду с другими блоками сфокусировать на одиночной работе. Система также гораздо более надежна.

Потеря одного или двух убийц не покалечит Рой мгновенно.

Робот пчелы могут роиться по марсианской местности и выследить признаки инопланетной жизни

Как глупо, как звучит концепция роботов-пчел на Марсе, она может работать из-за низкой гравитации Марса, которая составляет одну треть гравитации Земли. Таким образом, несмотря на то, что красная Планета имеет гораздо более тонкую атмосферу, марсианские пчелы также будут весить гораздо меньше, что делает его гораздо меньше усилий, чтобы летать.

На Земле роботы с вращающимся крылом гораздо более распространены, чем роботы с хлопающим крылом. Вы не видите, как папарацци подглядывают за знаменитостями, используя роботов-пчел; для этого они используют беспилотные летательные аппараты quadcopter. Так зачем выбирать дизайн крыла для марсианских пчел?

По данным NASA, в конструкции можно воспользоваться несколькими очень эффективными технологиями, которые экономят много энергии, например, механизмом, который может получать энергию от инерционной энергии взмахивания крыльев. Эти с низким энергопотреблением характеристики существены к Марсианским кораблям как малым как пчелы робота.

Совет

Прямо сейчас, дизайн Mars bees все еще находится в стадии разработки. НАСА имеет две исследовательские группы, работающие над отдельными частями робота-крыла.

Исследователи из Университета Алабамы хрустят численные модели, в то время как их японские коллеги будут использовать свой более ранний опыт работы с микро-воздушным транспортным средством hummingbird (MAV) для создания прототипа робота bee.

Создан мягкий двигатель для мягких роботов

[private] Магазин роботов и робототехники бытовые роботы квадрокоптеры гироскутеры конструкторы роботы игрушки новости [/private]

На страницах нашего сайта мы уже не один раз рассказывали о так называемой “мягкой робототехнике”.

Мягкие роботы обладают целым рядом преимуществ по сравнению со своими “твердыми собратьями”, они могут передвигаться по сложной местности, проникать, меняя форму, в самые труднодоступные места, эффективно действовать под водой и в космическом пространстве.

Однако, в этом деле имеется некоторая трудность, для того, чтобы привести в действие мягкого робота требуется точно такой же мягкий двигатель, который вырабатывает достаточный вращающий момент, не изгибаясь, не расширяясь и не деформируясь другим путем при этом.

Именно такой мягкий двигатель был разработан группой исследователей из университета Ратджерса (Rutgers University). “Наш двигатель обеспечивает вращение, не изгибаясь при этом. Его конструкция удивительно проста” – рассказывает Аарон Д. Мэззео (Aaron D.

Mazzeo), исследователь из отдела механических и аэрокосмических разработок (Department of Mechanical and Aerospace Engineering), – “У разработанной нами системы оси и колеса не имеется аналогов в живой природе, тем не менее, эту систему можно использовать в любом виде колесных транспортных средств и роботов”.

Основой принципа работы нового мягкого является перистальтическое движение, процесс, заключающийся в последовательном сокращении трубчатой полости, при помощи которого пища передвигается по пищеводу и кишечнику человека.

Мягкий двигатель представляет собой достаточно сложный узел, в котором объединена ось, колесо, “передача” и собственно движущий механизм.

Обратите внимание

Изготовлен двигатель преимущественно из силиконовой резины, упругость и мягкость которой находится где-то посередине между силиконовым герметиком и мышечными тканями в расслабленном состоянии.

Мягкие роботы, оснащенные мягкими двигателями, не имеющими металлических деталей, способны функционировать в условиях сильнейших электрических, магнитных и электромагнитных полей.

Благодаря своей мягкости они смогу выдерживать без потерь ударные воздействия, к примеру, при падении с высоты или падении на них различных предметов.

А способность нового мягкого двигателя останавливаться при отсутствии подачи энергии позволяет ему выступать в качестве тормоза и фиксировать транспортное средство без необходимости использования дополнительных узлов и дополнительных затрат энергии.

И в заключении следует заметить, что подобные мягкие двигатели могут использоваться не только для приведения в движение мягких роботов. Благодаря их уникальности и мягкости они могут стать основой механизмов спускаемых аппаратов, совершающих посадку на поверхность других планет при помощи парашютов, в качестве двигателей суставов роботов различных типов и многого другого.

Vita ex machina № 7

В лабораториях бьются искусственные сердца, молекулярные компьютеры играют в крестики-нолики, а крошечные медицинские роботы учатся взаимодействовать между собой внутри наших тел. Люди всегда мечтали подражать природе, и теперь это получается у них все лучше. «Чердак» отбирает самые интересные бионические новости, чтобы вы не потерялись в этом новом, странном мире.

Есть одна старая страшилка, в которой компьютерный вирус заражает живой организм и, например, стирает его воспоминания. Сложно представить, как это сделать, но вот принципиальную возможность в каком-то смысле обратной схемы совсем недавно показали американские ученые, которые превратили молекулы ДНК в прототип простейшего компьютерного вируса.

Для этого они взяли одну из популярных компьютерных программ с открытым кодом, используемую при секвенировании генома, и внесли в нее такие изменения, что она смогла производить переполнение буфера (то есть могла записывать данные за пределами выделенной для ее работы памяти, а значит, вносить туда какие-нибудь вредоносные инструкции — этот подход часто используют компьютерные вирусы). Дальше ученые спланировали, какие молекулы ДНК будут активировать эту ошибку, синтезировали их и попытались секвенировать: в 37% экспериментов это действительно вызвало переполнение буфера, то есть часть данных о последовательностях ДНК в зашифрованном виде было записано вне памяти специальной программы.

Важно

Конечно, у этой работы пока много оговорок. Во-первых, исследователи только показали теоретическую возможность создания подобного компьютерного вируса (можно придумать такую последовательность ДНК, что при секвенировании она заложит в память компьютера вирусные инструкции), но на практике его не сделали.

Во-вторых, они внедрялись в компьютер через специально «ухудшенную» программу для секвенирования (но параллельно показали, что аналогичные возможности использовать эту уязвимость есть у трех других аналогичных программ).

И в-третьих, их подход даже теоретически подходит только для очень специфических случаев: ДНК-последовательность, атакующая программу для секвенирования, должна быть достаточно короткой (для того чтобы ее не порезал на части секвенатор) и сбалансированной — соотношение аденин/тимин и гуанин/цитозин нуклеотидов в ней должно меняться в определенных узких пределах, иначе такая молекула ДНК свернется и не будет секвенирована.

Поэтому сами исследователи подчеркивают, что их работу стоит воспринимать скорей как предупреждение: если со временем техники секвенирования будут становиться все более мощными и общедоступными, то такая незакрытая уязвимость может выстрелить очень громко.

С помощью компьютерных вирусов на ДНК можно будет красть разные данные из лабораторий, подделывать результаты генетических экспертиз или, например, незаметно портить ГМО-продукты.

А если представить, что техника секвенирования станет доступна в домашних условиях, то фантазия разыгрывается даже еще больше: покупаешь в магазине какой-нибудь продукт и хочешь проверить его генетический состав, а вместо этого получаешь компьютерный вирус.

Мир бактерий живет в невероятных темпах. Возьмем каплю воды из лужи, посмотрим на нее под микроскопом и увидим тысячи микроорганизмов, которые постоянно перемещаются в абсолютно случайных направлениях.

В каком-то смысле это живое топливо: если обуздать этот хаос и направить все бактерии в одну сторону, то энергии их движения хватит на многое. Похожую вещь в июле сделали итальянские ученые: они заставили кишечные палочки e.

Совет

coli вращать лопасти миниатюрных моторов, как вода вращает жернова водяных мельниц.

Микромоторы были сделаны из пластика и выглядели следующим образом: в центре вертикальная ось, на которую насажен миниатюрный ротор диаметром в 7,6 микрон и толщиной в 3,7 микрон — полый диск, объем которого разделен перегородками на 15 маленьких камер, в каждую из которых помещается ровно по одной e.

coli (при этом «тело» кишечной палочки находится полностью внутри камеры, а жгутик, вращение которого и обеспечивает движение кишечной палочки, — снаружи).

Также вокруг ротора была сделана еще одна радиальная оболочка с насечками, направлявшими кишечные палочки так, чтобы они заходили внутрь своих камер головами вперед.

Внешний вид молекулярного мотора. А — вертикальная ось, B — вращающийся ротор, C — защитная радиальная оболочка. Изображение: Nature Communications.

Исследователи сделали несколько десятков таких моторов и добавили к ним «топливо» — суспензию кишечных палочек.

Всего за две минуты бактерии заполнили около 90% камер и за счет хаотичных движений своих жгутиков начали вращать ротор так, что максимальная скорость вращения микромоторов достигала около 15 оборотов в минуту.

Так, конечно, не могло продолжаться вечно.

Для вращения жгутиков, как и для работы любых других механизмов, тоже нужна энергия, которую бактерии получали за счет переноса протонов из внешней среды (грубо это можно сравнить с любым электрическим прибором, работающим за счет направленного переноса электронов, то есть электрического тока). Но здесь исследователи пошли на хитрость: они модифицировали гены e. coli таким образом, что бактерии стали производить фотоактивный белок протеородопсин, перекачивающий протоны из внешней среды за счет энергии солнечного излучения. Так ученые сильно расширили свои возможности: во-первых, они могли поддерживать работу микромоторов с помощью света, а во-вторых, меняя интенсивность излучения, научились регулировать и синхронизировать скорости их вращения.

Конечно, прямо сейчас применить такую систему где-нибудь на практике затруднительно, но в будущем все возможно. Сами авторы отмечают, что их микромоторы, вращаемыми «рабами”-бактериями, могут пригодиться для создания разных медицинских микроботов или систем адресной доставки лекарств.

Обратите внимание

Наши роботы уже неплохо ходят, ползают, плавают и даже бегают, но как-то совершенно не умеют расти, например, как лианы: мы просто не привыкли, что этот «растительный» способ передвижения тоже вполне подходит для перемещения в пространстве. Исправляют ситуацию американские ученые из Стэнфорда и Калифорнийского университета, которые создали мягкого робота, способного вырастать более чем в 250 раз и так пробираться сквозь самые труднодоступные места.

Выглядит новый робот как легкая мягкая трубка, которая разжимается под действием воздуха. Ее изначальная длина составляет 28 сантиметров, а максимальная — 72 метра. При этом направление роста робота можно менять, регулируя интенсивность подачи воздуха в полости с разных сторон трубки, а спереди робота установлена камера, по картинке которой можно направлять рост трубки.

Этот робот хорошо показал себя в испытаниях.

Он сумел проползти по липкой бумаге, клею, отвесной ледяной стене и даже гвоздям (с постепенным раскрытием трубки перемещается только его передняя часть, а вся остальная конструкция остается на месте, поэтому, хотя тело робота и получало проколы, оно все равно не сдувалось, так как сами гвозди и закрывали эти отверстия).

При этом в передней его части кроме камеры был установлен сенсор углекислого газа, который продолжал работать после всех перемещений. В других испытаниях робот подлез под дверью, поднялся, закрутился вертикально вверх спиралью на несколько метров и даже смог подползти под 100-килограммовый ящик, чтобы потом приподнять его.

Исследователи говорят, что их разработку можно использовать при различных чрезвычайных ситуациях, когда нужно быстро пробраться через завалы и найти выживших людей (в этом может как раз помочь датчик углекислого газа) и хотят развивать свою технику.

Они планируют сделать аналогичного робота, накачиваемого не воздухом, а водой (снова для работы в завалах и, соответственно, доставки воды в труднодоступные места), и миниатюрного растущего робота длиной в два миллиметра для работы внутри человеческого организма.

Изображение: Marc Wathieu//Flickr

Было бы очень здорово сделать биокомпьютеры — миниатюрные системы на основе биомолекул или клеточных органелл, которые могут производить точно такие же вычисления, какие делает обычная электроника, и по их результатам регулировать работу живых организмов, внутри которых, собственно, помещены биокомпьютеры. Сейчас ученые предлагают разные компоненты, на основе которых можно было сделать подобную электронику. Например, в июле американские исследователи показали, что простейшие вычисления и логические операции можно делать с помощью молекул РНК.

Для этого исследователи использовали структуры, называемые рибопереключателями — это одноцепочечные молекулы РНК, которые могут находиться в двух состояниях.

По умолчанию они «выключены» — свернуты в пространстве таким образом, что по ним невозможно синтезировать белок, но в присутствии некоторых веществ (например, коротких антисмысловых РНК или других биомолекул, образующих связи с изначальной цепочкой РНК) они разворачиваются и, соответственно, «включаются», то есть по ним снова можно синтезировать белок.

Важно

Такие рибопереключатели по умолчанию нужны кишечной палочке, чтобы регулировать работу некоторых генов. Однако для того, чтобы запустить на них биовычисления, ученые модифицировали e. coli таким образом, что по молекулам РНК синтезировались различные флуоресцентные белки.

Дальше они продемонстрировали, что прямо внутри бактерий можно проводить простейшие вычисления, в которых входными сигналами будут концентрации антисмысловых РНК, а выходными — интенсивность свечения флуоресцентного белка (в классических полупроводниковых схемах и входные и выходные сигналы — это электрические токи).

К примеру, сделали кишечные палочки, которые выполняют логическую операцию ИЛИ: если к культуре e.

coli добавляли определенные антисмысловые РНК A и B (как вместе, так и поодиночке), то активировалась выработка зеленого флуоресцентного белка, а если в среде отсутствовало и вещество A, и вещество B, то синтез белка не шел.

Таким же образом исследователи закодировали и некоторые другие логические операции, а также сделали алгоритм, работающий сразу с двенадцатью входными сигналами. Теперь авторы говорят, что подобные вычисляющие системы можно «имплантировать» и в другие живые бактерии, чтобы, например, контролируемо производить лекарства или топливо.

Кроме компьютерных вирусов на ДНК, бактериях, вращающих микромоторы, растущего мягкого робота для работы в завалах и РНК-вычислителях, работающих внутри кишечных палочек, в июле и августе было много и других интересных бионических новостей. В геном бактерий записали видео со скачущей лошадью, из гидрогелей сделали плотную как шелк искусственную паутину, слизевик Physarum Polycephalum сымитировал сеть древнеримских дорог, а роборыбы помогали изучать агрессию среди рыбок сиамских петушков. Впереди еще много всего интересного!

Новое изобретение ученых: робот из полимера способен принять любую форму

Ученые Гарвардского университета создали первого в мире беспозвоночного робота.

Обычный на вид кусок мягкого полимера под управлением оператора может передвигаться по рыхлым и нестабильным поверхностям, пробираться через узкие щели и проникать в самые труднодоступные места.

Изобретатели считают, что в перспективе такой робот-моллюск сможет выполнять работу, которая не под силу человеку, например, при разборе завалов после землетрясения.

Монолитный кусок мягкого полимера оживает точно насекомое, как только в туловище поступает под давлением воздух. Этому роботу ученые Гарвардского университета пока не придумали название, его главная особенность — он мягкий, он может забираться в самые труднодоступные места и передвигаться по рыхлым и непрочным поверхностям.

“Есть такие виды работ, которые люди не могут выполнять или не хотят. Если иметь дело с чем-то мягким или хрупким, то робот из металла не справится с задачей. Если нужно пробраться через шатающиеся поверхности, то обычный робот не пройдет”, — объясняет Джордж Уайтсайд, профессор химии Гарвардского университета.

Совет

Профессор демонстрирует при помощи шприца, как у него родилась эта идея. В каждой части тела робота находятся небольшие камеры, последовательно подавая в них воздух через трубку, оператор приводит его в движение.

Робот может менять походку и осанку в зависимости от того, в какой последовательности поступает воздух в туловище и конечности. Именно благодаря этому он, например, может пробраться в щель два сантиметра высотой.

“Когда мы разрабатывали этого робота, мы учили его ходить, мы каждый его шаг ставили вручную, чтобы выяснить, какая последовательность шагов будет самой удобной. Потом мы передали управление компьютеру, и движение робота стали более точными”, — рассказывает Стивен Морин, научный сотрудник департамента химии Гарвардского университета.

Он мягкий, простой, и его можно очень быстро сделать, демонстрируют в лаборатории. В форму заливается полимер, он застывает, и после обработки робот готов. В лаборатории полагают, что эта разработка пригодиться при разведке мест техногенных катастроф. Например, такой робот может пробраться под развалины здания после землетрясения. Изделием заинтересовался Пентагон.

“Это очень мягкий и растягивающийся материал, который часто используется, например, при изготовлении силиконовых грудных имплантатов. Он на ощупь — как живая ткань, которая может принимать любые формы, это очень удобный полимер”, — поясняет Джордж Уайтсайд, профессор химии Гарвардского университета.

Профессор предполагает, что пневморобот малых размеров будет полезен в медицине — этот робот легко превратить в умный и деликатный зажим для полосных операций.

Ученых вдохновили морские звезды и кальмары, но пока беспозвоночный робот слишком несамостоятелен. Воздух в мягкие конечности подается из внешнего компрессора, который в свою очередь питается от внешнего источника энергии. Робот очень медлителен и не автономен.

Инженеры научили робота расти в нужном направлении

Stanford / YouTube

Американские инженеры представили гибкого надувающегося робота. Он представляет собой мягкую и прозрачную трубку, которая может надуваться и поворачиваться. Работа, посвященная изобретению, опубликована в журнале Science Robotics.

Многие инженеры занимаются разработкой мягких роботов. Такой подход, несмотря на зачастую более сложную реализацию, имеет несколько очевидных преимуществ. Например, мягкие роботы могут безопасно взаимодействовать с человеком, проникать в труднодоступные места.

Исследователи вдохновились живыми организмами и создали робота, который для перемещения не передвигает себя, а в буквальном смысле растет в заданном направлении, подобно лозе.

Робот состоит из мягкой прозрачной трубки длиной 72 метра, которая изначально свернута, а затем, по мере роста разворачивается. Помимо этого, в стенках основной трубы предусмотрены полости.

Надувая их с разной силой, инженеры могут управлять изгибом робота.

Для того, чтобы робот мог двигаться автономно, на его конец они закрепили небольшую камеру. Специальный алгоритм постоянно отслеживает положение ярких целей, и, регулируя давление в полостях, поворачивает робота таким образом, чтобы цель постоянно находилась в центре поля зрения.

Помимо этого, инженеры показали несколько других вариантов применения разработки. К примеру, робот может просачиваться через отверстия диаметром в несколько раз меньше его размера.

Кроме этого они продемонстрировали, как робот смог перекрыть кран, расположенный в нескольких метрах, а также за счет надувания может поднять груз массой 70 килограмм.

Обратите внимание

Передвижение робота в различных условиях Elliot W. Hawkes et al. / Science Robotics, 2017Инженеры считают, что разработка может помочь в медицине — миниатюрная версия такого робота может служить в качестве катетера, который не будет причинять неудобства пациентам.

Также его можно использовать в поисково-спасательных работах — к примеру, для работы под завалами и поиска пострадавших.

Недавно другая группа американских ученых также разработала мягкого робота, который может использоваться для помощи врачам.

Он представляет собой трубку, которая может сжиматься и разжиматься подобно тому, как передвигаются черви.

Кроме того, ранее исследователи из Токийского технологического института построили двадцатиметровый надувной манипулятор, в котором для облегчения конструкции использовались надувные сегменты.

Григорий Копиев

Расти большой, не будь лапшой!

В последние время учеными разных стран создаются мягкие роботы. Секрет перспективности разработки и исследования подобных роботов кроется в их названии: мягкий робот способен проникать в труднодоступные места.

Так, мягких роботов можно использовать для поиска людей при обрушении здания: мягкий робот может пробраться в те места, куда будет закрыт путь для техники и специальных собак.

При этом управлять этим роботом смогут люди на поверхности при помощи обычного джойстика.

Изобретенный  учеными из Стэнфордского университета мягкий робот, способный увеличиваться в размерах, выглядит как небольшой цилиндр с щупальцем, которое  должно преодолеть все преграды. На кончике этого щупальца находится камера, транслирующая происходящее под завалами операторам.

Впрочем, это всего лишь один из множества способов применения данного робота. Профессор машиностроения Эллисон Окамура утверждает: «По сути, мы пытаемся изучить основы нового подхода к проблеме мобильности или механизма перемещения. Этот подход радикально отличается от используемого для передвижения животными и людьми».

Graduate students Joseph Greer, left and Laura Blumenschein, right work with Elliot Hawkes, a visiting assistant prof. from UCSB, on a prototype of the vinebot.

Концепция «растущего» робота состоит в том, что трубка, упомянутая выше, подобно вывернутому наизнанку носку, способна вытягиваться обратно в случае активации робота. В прототипах робота трубка была сделана из дешевого пластика. В свою очередь, при закачке воздуха корпус робота раздвигается.

Эксперименты, проведенные командой профессора Окамура, показали, что созданный ими мягкий робот может уверенно перемещаться в нестандартных условиях. В один из «марафонов» ему удалось преодолеть гвозди, клей, а также вскарабкаться по ледяной стене.

Важно

Всё это робот проделал для того, чтобы установить в труднодоступном месте датчик, который реагирует на углекислый газ, выделяемый жертвами стихийных бедствий.

Кроме того, роботу удалось поднять ящик весом в 100 килограмм, проникнуть в дверную щель, составляющую всего лишь 10% от его диаметра, после чего он скрутился в виде некой конструкции и передал радиосигнал.

Прототип, созданный вручную, действует под давлением воздуха. В будущем ученые планирует наладить поточное производство роботов, которые будут «расти» с помощью воды. Таких роботов можно будет использовать при тушении пожаров или доставки воды людям, оказавшимся под завалами. При создании этих роботов планируется использовать более жесткие материалы, такие как кевлар и армированный нейлон.

Ученые Стэнфордского университета не ограничивают свое воображение, создавая роботов разных размеров. Например, недавно увидел свет робот размером в 1,8 мм.

Читать также: