В рамках научного семинара Стэндфордского университета (Stanford University) приглашенный исследователь представил инновационный подход к управлению формой мягких роботов и трансформируемых метаматериалов с помощью заложенных в них физических свойств. Вместо усложнения программных алгоритмов классической робототехники докладчик предлагает использовать геометрическую нелинейность, программируемые полимеры и механическую бистабильность. В материале подробно рассматриваются три ключевых проекта лаборатории: от автономных космических батарей до трехмерной гибкой электроники и роботов, способных перемещаться без единого электронного компонента.
🤖 От жестких манипуляторов к континуальной мягкости 0:09
В начале своего выступления докладчик сразу сделал важное признание: он не является робототехником в классическом понимании, а специализируется на механике твердого тела, дизайне и вычислительных методах. Тем не менее, его исследования лежат на стыке этих дисциплин и посвящены фундаментальному вопросу: как эффективно управлять изменением геометрии конструкций и, в частности, мягких роботов.
Согласно определению из Википедии, целью мягкой робототехники является проектирование и создание роботов с физически гибкими корпусами и электроникой. Традиционный подход к созданию автоматических манипуляторов опирается на совершенно иные принципы:
- Жесткость корпуса у классических роботов всегда значительно выше, чем у объектов, которыми они манипулируют. Это позволяет инженерам полностью игнорировать собственную эластичность конструкции при расчете траекторий.
- Такие системы обладают фиксированным и конечным числом степеней свободы. Управление ими осуществляется дискретно в каждом суставе с помощью сложнейших программных алгоритмов.
В случае с мягкой робототехникой ситуация кардинально меняется — задача переходит в плоскость механики сплошных сред (континуума). Здесь каждый отдельный участок материала деформируется вместе с манипулируемым объектом. В качестве примеров спикер продемонстрировал две разработки Стэнфордского университета: робота-лиану (vine robot) профессора Элисон (Alison), удлиняющегося за счет внутреннего давления, и систему Рэйчел (Rachel), использующую комбинацию кристаллических паттернов и магнитных дисков с программируемыми доменами. Поскольку в подобных структурах каждая точка материала обладает как минимум тремя трансляционными и тремя вращательными степенями свободы, классические алгоритмы управления оказываются бессильны.
💡 Секрет в нелинейности: выключатели и «умный пластилин» 2:51
Чтобы упростить контроль над непрерывно деформирующимся эластичным телом, исследователь предложил отказаться от сложных программ и обратиться к физической нелинейности самих материалов. Лучшей бытовой аналогией такого поведения служит обычный настенный выключатель света. При нажатии на него сначала требуется приложить определенное усилие, но как только клавиша преодолевает половину пути, она резко «прощелкивается» в противоположное стабильное положение. Для удержания выключателя во включенном состоянии внешняя сила больше не нужна. Это принципиально отличает его от линейно-эластичных систем (например, стальной балки или пружины), где деформация строго пропорциональна приложенной силе согласно закону Гука.
Второй важный компонент — использование вязкоупругих свойств, напоминающих поведение игрушки Silly Putty («умный пластилин» или хэндгам). Этот материал легко поддается формовке при медленном нажатии, но раскалывается как стекло при резком ударе молотком. Подобная зависимость механических свойств от скорости приложения силы позволяет использовать внутреннюю термоэластичность полимера в качестве автономного источника энергии, полностью заменяющего традиционные тяжелые батареи и внешние приводы.
Умное комбинирование этих двух ингредиентов легло в основу трех практических проектов, представленных в докладе.
🛰️ Проект №1: Автономно развертываемые солнечные батареи 4:59
Первый проект, разработанный докладчиком еще во время получения докторской степени, представляет собой полностью напечатанную на 3D-принтере панель, способную автономно увеличивать свою площадь в 10 раз. Главная научная ценность работы заключается в распределенном характере привода: здесь нет единого мотора или кабеля, источником энергии для развертывания служит буквально каждый миллиметр самого материала.
Эффект достигается за счет использования полимеров с памятью формы (Shape Memory Polymers, SMP). Процесс их «программирования» состоит из нескольких строго последовательных шагов:
- Полимер нагревается выше температуры его стеклования (Tg), переходя из жесткого стеклообразного состояния в высокоэластичное (каучукоподобное).
- К податливому материалу прикладывается механическое усилие, принудительно переводящее его из исходной формы А в деформированную форму B.
- В таком состоянии структура резко охлаждается (например, погружением в ледяную ванну), в результате чего модуль Юнга многократно возрастает, «запирая» полимерные цепи.
- Внешняя нагрузка снимается, и материал остается в деформированном холодном состоянии сколь угодно долго.
Для последующего автономного развертывания конструкцию достаточно снова нагреть — полимер вернется в исходную форму А без какой-либо помощи извне. По признанию автора, у технологии есть очевидный минус: цикл развертывания является одноразовым, и для повторного использования структуру придется перепрограммировать вручную.
Геометрия несущего каркаса батареи была вдохновлена популярной игрушкой — кольцом Хобермана (Hoberman sphere). В оригинале это кинематический механизм с одной степенью свободы, состоящий из шарнирных ножничных соединений. Исследователи заменили жесткие вращательные узлы эластичными шарнирами из полимера с памятью формы.
Внутрь кольца была интегрирована сложная система «вспышечного оригами» (flash origami). При 3D-печатной реализации такой плоской конструкции инженерам пришлось детально изучить механику складывания, так как бумага гнется по линиям легко, а объемный пластик ведет себя иначе. Выяснилось, что в процессе складывания материал проходит через две разные конфигурации, соответствующие локальным минимумам энергии. Первая требует колоссальных энергетических затрат на старте, но стабильна в конце, тогда как вторая легко достигается вначале, но нестабильна на финальном этапе. Из-за этой бифуркации лист постоянно норовил самопроизвольно выгнуться наружу. Чтобы преодолеть барьер, ученые применили специальное механическое устройство с центральной стойкой, которая закручивала оригами по спирали — метод, как оказалось, изобретенный инженерами еще в 1960-х годах.
В итоговом прототипе использовалась мультиматериальная печать: темные активные зоны шарниров реагировали на целевую температуру в 45 °C (около 100 °F), тогда как белые элементы оставались жесткими, поскольку их температура стеклования была значительно выше. Автор подчеркнул удивительную надежность распределенного привода: даже если при печати возникают дефекты или отдельные элементы ломаются, структура все равно успешно раскрывается, так как ее движение не зависит от работы одного конкретного узла.
👁️ Проект №2: Из плоского листа в трехмерную кривизну и гибкую электронику 18:00
Если первый проект трансформировал плоскую фигуру в увеличенную, но такую же плоскую структуру, то во втором исследователи поставили задачу посложнее — изменить гауссову кривизну поверхности. Идея состоит в том, чтобы взять плоскую заготовку (которую удобно хранить, транспортировать или сворачивать в рулон) и превратить ее в уникальную трехмерную форму, заданную пользователем в виде компьютерной сетки (mesh). После развертывания объект должен оставаться стабильным бесконечно долго без постоянного поддержания внешней силы, находясь в локальном минимуме упругой энергии.
В качестве основы были выбраны ауксетические материалы (auxetics). При растяжении они расширяются изотропно во всех направлениях, демонстрируя коэффициент Пуассона, равный -1, на всем протяжении деформации. Спикер объяснил, что эта технология критически важна для создания гибких мягких роботов: современная микроэлектроника (литография и травление) жестко привязана к двухмерным послойным кремниевым пластинам. Создать сложную микросхему сразу в 3D невозможно. Метод исследователей позволяет изготовить плоский полуфабрикат на стандартном оборудовании чистых комнат, а затем механически развернуть его в пространстве.
Для демонстрации была выбрана сложная геометрия человеческой роговицы (cornea). Используя алгоритмы конформного отображения (conformal map) и стереографической проекции — аналогичные тем, что применяются в картографии для сглаживания искажений при переносе глобуса на плоскую карту — авторы рассчитали точный коэффициент расширения ($\lambda$) для каждого участка плоского диска. На основе этих расчетов была создана гетерогенная сетка, состоящая из миниатюрных ячеек.
Каждая базовая ячейка представляет собой четыре квадрата, вырезанных в полиимидной пленке. При вращении квадратов ячейка переходит во второе устойчивое равновесное состояние, проходя через фазу максимального сжатия. Изменяя угол наклона и длину внутренней стороны квадрата, можно гибко программировать величину расширения конкретной зоны листа. Процесс развертывания выглядит следующим образом:
- Специальный пуансон (индентер) продавливает плоский лист далеко за пределы второго равновесного состояния ячеек.
- Ячейки испытывают избыточное растяжение.
- Пуансон убирается, и структура за счет сил упругости сама «схлопывается» обратно, но фиксируется строго в заданной стабильной 3D-форме роговицы.
Проведенный конечно-элементный анализ (FEM) подтвердил, что даже в отсутствие пластической деформации полученный купол стабилен и находится в минимуме упругой энергии. Конструкция способна выдерживать внешние механические нагрузки, упруго возвращаясь в форму купола после нажатий.
Помимо роговицы, ученые успешно воссоздали множество других геометрических объектов, включая поверхности с отрицательной кривизной и тороидальные формы с отверстием посередине. В качестве практического применения они изготовили параболический рефлектор. Эксперимент с 3-миллиметровым лазером доказал, что геометрия развернутого зеркала идеальна: световые лучи точно сфокусировались в расчетной точке, полностью подтвердив предсказания геометрической оптики.
Технология легко масштабируется. Авторы воспроизвели этот эффект на обычном настольном лазерном резаке, используя натуральный каучук. Отправленный по почте известному британскому популяризатору науки плоский резиновый шаблон был успешно развернут вручную, а видеоролик об этом набрал более 9 миллионов просмотров на YouTube. По словам автора, в будущем совместно с NASA планируется создание крупномасштабных космических конструкций, развертываемых с помощью простых надувных баллонов (бладдеров).
🏊 Проект №3: Роботы-амфибии без электроники и батарей 36:09
Третье направление исследований объединяет полимеры с памятью формы и механическую бистабильность для реализации безэлектронного перемещения (локомоции) в пространстве. Идея заключается в использовании энергии «прощелкивания» бистабильного механизма как динамического импульса для движения вперед.
Инженеры соединили полимерный «активатор» (выступающий в роли механического аккумулятора) с бистабильной защелкой. При погружении конструкции в воду с температурой выше температуры стеклования материал начинает автономно сжиматься, стремясь к исходной форме, и с силой перебрасывает бистабильный триггер в другое состояние. Снабдив этот механизм небольшими веслами через поворотные оси, исследователи получили примитивного водоплавающего робота, способного плыть назад при резком толчке механизма вперед. На данном этапе робот совершает всего одно гребковое движение (одноразовый ход), после чего требует ручной перезарядки. Однако спикер отметил, что сторонние научные группы уже развили эту идею, создав непрерывно катящегося робота, который движется по горячему столу, охлаждаясь окружающим воздухом в верхней точке траектории.
Благодаря возможностям мультиматериальной 3D-печати ученым удалось запрограммировать сложную последовательность действий робота за счет разницы температур активации. Была создана демонстрационная модель с логотипом Калифорнийского технологического института (Caltech):
- При температуре воды 40 °C срабатывает первый триггер, и робот плывет вперед к цели. При этом второй привод остается пассивным, так как для его активации требуется нагрев до 65 °C.
- Последующий нагрев воды до 60–65 °C заставляет сработать высокотемпературный полимер: робот сбрасывает переносимый груз и уплывает в обратном направлении.
Таким образом, меняя лишь тепловой режим окружающей среды, можно заставить автономную пластиковую конструкцию выполнять цепочку осмысленных логических операций без использования микроконтроллеров.
❓ Дискуссия: Оптимизация, роль ИИ и долговечность метаматериалов 41:10
После завершения презентации состоялась сессия вопросов и ответов, в ходе которой спикер затронул глубокие философские и практические аспекты проектирования метаматериалов. На вопрос о том, как именно разрабатываются столь сложные геометрические паттерны разрезов и складок оригами, ученый пояснил, что вручную спроектировать такие структуры невозможно. Традиционной альтернативой в инженерии служит метод топологической оптимизации, когда алгоритм делит пространство на сетку и просчитывает наличие или отсутствие материала (0 или 1) для минимизации упругой энергии. В своих же работах команда использует базовую геометрическую интуицию и градиентную оптимизацию для точечной настройки параметров.
Отвечая на вопрос о потенциальной роли искусственного интеллекта в этой области, докладчик выразил серьезный скепсис:
«Я не знаю, как получить достаточный объем обучающих данных для решения этой крайне неопределенной задачи. Я даже не знаю, как правильно сформулировать эту проблему для ИИ».
По мнению исследователя, основная загвоздка кроется в колоссальной вычислительной стоимости физического моделирования. Обычный конечно-элементный расчет одного цикла деформации ячеек занимает около 30 минут. Если для обучения нейросети или проведения численной оптимизации потребуется прогнать симуляцию 1000 раз, процесс затянется на многие месяцы, так как путь итерации нелинеен, а малейшее изменение геометрии в плоском состоянии непредсказуемо меняет финальный трехмерный объект.
Говоря о создании универсальной «грамматики» или словаря популярных паттернов, спикер пояснил, что для линейно-эластичных свойств (модуль Юнга, анизотропия) рамки дозволенного науке уже хорошо известны и поддаются строгому расчету. Однако моделирование полной нелинейной кривой «напряжение — деформация» (stress-strain curve) для метаматериалов остается открытым и крайне сложным вызовом, над которым его лаборатория только начинает работать.
В финале дискуссии зашел разговор о долговечности и усталости подобных структур при многократном складывании. Докладчик признал, что на микромасштабах проводить такие тесты тяжело из-за нехватки ловкости манипуляторов. Однако крупный настольный прототип из натурального каучука за три года эксплуатации подвергался трансформации не менее 1000 раз. Спикер с улыбкой добавил, что он очень непоседлив, и эта конструкция служит для него своеобразным «фиджет-спиннером» прямо на рабочем столе.
