Робоящериця навчилася ефективно повзати по стіні

Австралійські інженери розробили робота, здатного пересуватися вертикальними поверхнями. Для цього вони спочатку записали і проаналізували методами машинного навчання руху справжніх ящірок, - азіатського будинкового геккона і водяної ящірки, а потім використовували отримані дані для налаштування оптимальної конфігурації ніг робота і його походки. Пристрій має чотири ноги і приводиться в рух десятьма сервоприводами. За словами розробників, робот з подібним способом пересування може стати в нагоді для роботи у важкодоступних місцях, наприклад при вивченні складного рельєфу інших планет, а також дозволить краще зрозуміти особливості рухової системи тварин. Стаття опублікована в журналі препринт роботи доступний на сайті bioarxiv.org.

Підхід, коли при створенні конструкцій для роботів інженери запозичують ідеї з природи, створюючи пристрої, що імітують живі організми або їх окремі органи, називають біоміметикою. Часто він дозволяє не тільки отримати більш ефективні пристрої, але і поліпшити наше розуміння того, як влаштовані і працюють живі організми. Наприклад, ящірки, здатні дертися вертикальними поверхнями, можуть послужити відмінним прототипом для крокуючих роботів, які, володіючи здатністю пересуватися по похилим і вертикальним рельєфам, зможуть пробиратися у важкодоступні місця, куди неможливо дістатися, використовуючи більш консервативні способи пересування, наприклад колеса. З іншого боку, розробка робота, що імітує походку лазячих ящірок, допомогла б краще зрозуміти рухові особливості цих тварин, чия здатність дертися по стінах вимагає оптимального вирішення конкуруючих завдань підтримки високої швидкості переміщення при збереженні стійкості.

Інженери з австралійського Університету Саншайн-Коста під керівництвом Крістофера Клементе (Christofer J. Clemente) вивчили походку ящірок і розробили прототип крокового робота, здатного підійматися по похилим і вертикальним поверхням. Завдяки можливості незалежного управління окремими елементами ніг і «хребта» робота інженерам вдалося відтворити рухи ящірки, що карабкається по стіні, і проаналізувати їх ефективність.

Вага робота останньої версії X-4 становить близько 330 грамів при розмірах 280 ст.1180x65 міліметрів. Управління рухом робота здійснюється за допомогою 10 сервомоторів. Два відповідають за поздовжній вигин спини робоящериці, чотири - за поворот кінцівок у плечах, і ще чотири потрібні для підйому ступнів ніг, оснащених кігтями, над поверхнею. Кут встановлення кожної ступні можна змінювати незалежно за допомогою гвинтів. Жорсткий нерухомий хвіст, довжина якого дорівнює половині довжини тіла робота, служить додатковою точкою опори при русі вгору. Для вимірювання пройденої відстані і швидкості на роботі встановлений лазерний далекомір, а для визначення орієнтації в просторі робот використовує гіроскоп. Крім того, реєструється споживаний моторами струм. Керування сервомоторами, контроль координації рухів і збір даних з датчиків здійснюється платою Arduino micro з мікроконтролером Atmega168P-AU.

В якості прототипу для робота були обрані дві особини ящірок - азіатський будинковий геккон (і австралійська водяна ящірка (. Рухи тварин були записані на камеру і проаналізовані за допомогою алгоритму машинного навчання DeepLabCut, призначеного для розпізнавання поз і оцифрування руху тварин на відео. Отримані дані були використані для створення та налаштування конфігурації робота.

Тестування робоящериці проводилося на вертикальній і горизонтальній поверхнях з килимовим покриттям, за яке робот чіпляється розташованими на ступнях кігтями. Змінюючи основні параметри, такі як швидкість пересування робота, кут установки ступнів відносно поздовжньої осі, вигин хребта і діапазони відхилення кінцівок в плечах, інженери відчували здатність пристрою підійматися на стіну і ходити по поверхні. При цьому стабільність вертикального руху вони оцінювали за кількістю успішно пройдених кроків без падінь, зісковзування або відхилення від початкового напрямку руху, а за даними про споживаний моторами струм оцінювали енерговитрати.

З'ясувалося, що оптимальна швидкість переміщення робота лежить в межах між 40 і 70 відсотками від його максимально можливої швидкості, обмежуваної можливостями моторів. При великих значеннях падає стабільність руху, а при швидкості меншій 40 відсотків зростають енерговитрати. Аналіз положень ступнів робота показав, що існує дві оптимальних області, при яких дистанція, що долається роботом за крок, максимальна, а робот успішно долає весь маршрут з імовірністю 100 відсотків. При цьому в одній з них ступні розгорнуті у напрямку до тіла робота, що не спостерігається в природі у справжніх ящірок. Це може бути пов'язано як з обмеженнями, що накладаються властивостями кісток, м'язів і зв'язок, так і з пристосованістю до конкретних умов середовища в процесі еволюції. Значення кутів повороту ступнів у другій області дорівнює 20 градусам для передніх кінцівок і 100 для задніх. Близькі значення кутів розвороту ніг спостерігаються біля геккону (32 і 95), а ось у водяної ящірки вони відрізняються від знайдених оптимальних для лазання величин і становлять в середньому 41 і 70 градусів для передніх і задніх ніг відповідно. Автори роботи вважають, що це може бути пов'язано з тим, що друга ящірка більше часу проводить на землі і тому менш пристосована до лазіння, на відміну від геккону.

Максимальної швидкості 0,112 метра в секунду на горизонтальній поверхні робот досягає при одночасному поєднанні вигинів спини і повороту ніг в плечових суглобах, проте внесок спинного вигину при цьому мінімальний, а діапазон відхилення ніг, навпаки, максимальний. Подібний тип походки з невеликим внеском спинного вигину характерний і для справжніх ящірок, які брали участь у дослідженні.

За словами авторів розробки, роботи, що імітують спосіб пересування ящірок, в майбутньому зможуть застосовуватися там, де класичні колісні або гусеничні пристрої неефективні. Наприклад, для дослідження важкодоступних областей зі складним рельєфом на Марсі та інших планетах.

Раніше ми розповідали про інженерів з Південної Кореї, які використовували біоміметичний підхід при створенні орнітоптера, крила якого імітують здатність крил жука-носорога упруго згинатися, що дозволяє пом'якшувати удари при зіткненнях дрона з перешкодами в польоті, зберігаючи стабільний політ.