Эволюция мягких роботов: от пневматических мышц к биоподобным конструкциям

Мягкая робототехника - стремительно развивающаяся область, которая кардинально отличается от традиционной "жесткой" робототехники. За последние десятилетия эта инновационная сфера прошла путь от первых пневматических мышц 1950-х годов до современных сложных биоподобных конструкций, способных к естественным движениям и адаптации. Использование гибких материалов и продвинутых алгоритмов обещает произвести революцию в самых разных отраслях - от здравоохранения до исследования новых территорий.

Истоки мягкой робототехники

Истоки мягкой робототехники можно проследить до 1950-х годов, когда была разработана искусственная мышца Маккиббена. Изначально она предназначалась для ортопедических целей, но заложила основу для будущих мягких роботов, продемонстрировав потенциал гибких приводов.

Значительный прогресс был достигнут в 1990-х с созданием мягких пальцев и гибких микроприводов из силиконовой резины. Это позволило добиться более тонкой манипуляции и движений. Эти ранние достижения доказали возможность использования мягких материалов в робототехнике и подготовили почву для стремительного развития отрасли в последующие десятилетия.

instructables.com

Ключевые инновации

Несколько прорывных технологий дали мощный толчок развитию мягкой робототехники:

- Пневматические приводы, включая искусственную мышцу Маккиббена и ее последователей, обеспечивают гибкие и мощные механизмы движения.
- Электроактивные полимеры, меняющие форму под воздействием электрических стимулов, позволяют точно контролировать движения мягких роботов.
- Жидкостные приводы, использующие жидкости для создания движения, обеспечивают плавные и адаптивные движения, идеальные для деликатных манипуляций.

Эти инновации дополняются достижениями в области вычислительных алгоритмов, таких как эволюционные алгоритмы и композиционные сети, производящие паттерны (CPPN). Они оптимизируют стратегии проектирования и управления мягкими роботами, что приводит к созданию более естественных и сложных конструкций.

Биоподобный дизайн

Черпая вдохновение в природе, мягкая робототехника активно использует биоподобные конструкции, чтобы воспроизвести гибкость и адаптивность живых организмов. Важной вехой стало создание в 2016 году в Гарвардском университете Octobot - первого полностью автономного мягкого робота. Это достижение продемонстрировало потенциал имитации биологических систем в робототехнике.

Другие примеры включают манипуляторы, смоделированные по образцу щупалец осьминогов и хоботов слонов, которые демонстрируют высокую ловкость и способность выполнять сложные задачи. Такие биоподобные подходы не только расширили возможности мягких роботов, но и открыли новые перспективы для их применения в средах, где традиционные жесткие роботы неэффективны.

wyss.harvard.edu

Проблемы и перспективы

Несмотря на свои преимущества, мягкие роботы сталкиваются с серьезными проблемами, особенно в плане долговечности материалов и сложности управления. Мягкие материалы более подвержены повреждениям от проколов, разрывов и порезов, что потенциально ограничивает срок службы и надежность роботов. Кроме того, гибкая природа этих роботов усложняет точное управление, требуя применения продвинутых алгоритмов и систем контроля для достижения желаемого поведения.

Будущие исследования направлены на решение этих проблем путем разработки более прочных материалов и совершенствования алгоритмов управления. Ожидается, что интеграция с искусственным интеллектом и машинным обучением повысит возможности и адаптивность мягких роботов.

Исследователи также изучают новые области применения в здравоохранении, исследованиях и промышленной автоматизации. Существует потенциал для использования мягких роботов в автономной навигации и картографировании неизведанных территорий.

По мере развития отрасли основное внимание, вероятно, будет уделяться масштабированию производства мягких роботов, повышению их функциональности и расширению сфер практического применения.