В рамках семинара ENGR319 в Стэндфордском университете (Stanford University) профессор Калифорнийского университета в Сан-Диего (UCSD) Ник Грейвиш (Nick Gravish) представил концепцию адаптивных роботов, построенных на принципах физической податливости и динамических систем. Основная идея выступления Грейвиша заключается в том, что «игра» с механическими структурами и изучение простых физических взаимодействий позволяют создавать сложные системы, способные адаптироваться к неструктурированной среде без необходимости в мощных вычислительных ресурсах .
🏗️ Механическая адаптивность: от вакуумных трубок до рулеток 3:38
Грейвиш утверждает, что геометрия структуры важнее свойств самого материала. Используя обычную бумажную трубку, он демонстрирует, как изменение формы сечения (с круглого на плоское) радикально меняет жесткость объекта . Этот принцип лег в основу нескольких разработок его лаборатории.
Инструменты и методы создания перестраиваемых структур:
- Вакуумные складки: Исследователи использовали гибкие трубки, на которые надевались специальные полукруглые «манжеты» (cuffs). При создании внутри трубки вакуума она сгибается именно в месте расположения манжеты под заданным углом .
- Внутренние модули: В более продвинутой версии в надувную трубку помещаются автономные модули (с батареями и микроконтроллерами), которые создают «защип» изнутри, формируя сустав в любой точке «позвоночника» робота . Это позволяет одному актуатору охватывать почти всю полусферическую рабочую зону .
Особое внимание профессор уделил использованию измерительных рулеток (tape-springs). По мнению Грейвиша, это идеальный механизм для робототехники: рулетка легко сворачивается, но обладает высокой жесткостью в развернутом состоянии .
Эволюция захватов на базе рулеток:
- Планарный гриппер: Две треугольные структуры из рулеток позволяют перемещать, вращать и удерживать объекты в плоскости .
- Двунаправленные ленты: Ламинирование двух лент вместе с использованием слоя с низким трением позволило избежать скручивания и увеличить дистанцию вылета захвата .
- Циклические ленты с TPU-кожей: Последняя итерация использует замкнутые петли лент, покрытые напечатанной на 3D-принтере кожей из термопластичного полиуретана (TPU). Это обеспечивает бесконечное вращение объекта и высокую силу трения при захвате .
Грейвиш подчеркивает, что мягкость таких систем обеспечивается не материалом (сталь рулетки очень жесткая), а геометрией изгиба, что делает их безопасными при столкновениях .
🐝 Динамика полета: как насекомые летают без участия мозга 19:03
Изучая полет шмелей и других насекомых, Грейвиш пришел к выводу, что многие высокочастотные движения (выше 100 Гц) происходят асинхронно. Это означает, что мозг насекомого не посылает сигнал на каждое сокращение мышцы .
Ключевой механизм — задержанная активация растяжением (Delayed Stretch Activation, DSA):
- Мышца насекомого работает как резонатор в системе «пружина-масса».
- Когда мышца растягивается, она сокращается с небольшой задержкой. Этот фазовый сдвиг создает автоколебания (предельные циклы) .
- В робототехнике это реализуется через фильтр нижних частот: сигнал скорости с мотора (измеряемый через обратную ЭДС) фильтруется и подается обратно на крутящий момент .
Грейвиш утверждает, что такая система обладает врожденной адаптивностью. Если робот-насекомое врезается в препятствие, крыло останавливается мгновенно, так как прекращается процесс растяжения мышцы. Это происходит без участия сенсоров или вычислительных алгоритмов — чисто на уровне физики системы . Эксперименты показали, что «асинхронные» роботы значительно лучше справляются с полетами в загроможденных пространствах, чем те, что управляются классическими синусоидальными сигналами .
🐍 Трение и контакт: «Самый худший робот в мире» 30:22
Исследуя многоногих роботов и змей, команда Грейвиша столкнулась с парадоксом: системы с сухим кулоновским трением (которое не зависит от скорости) часто ведут себя как вязкие среды (где сопротивление зависит от скорости) .
Чтобы изучить это, была создана установка, которую профессор иронично называет «худшим роботом в мире» — карусель с 10 колесами, вращающимися с разной скоростью .
Открытия в механике контакта:
- Правило медианы: Грейвиш выяснил, что чистая скорость вращения системы с множественными контактами определяется не средним арифметическим скоростей колес (как в вязкой среде), а их медианой . Это делает систему устойчивой к аномалиям (выбросам скорости на отдельных колесах).
- Синтетическая вязкость: Комбинируя множество контактов с сухим трением, можно имитировать вязкое сопротивление, характерное для плавающих в слизи червей .
- Нулевое трение: Если запустить 5 колес вперед и 5 колес назад с одинаковой скоростью, система переходит в состояние «разрыва трения». В этом режиме робот может скользить по поверхности почти без сопротивления от малейшего прикосновения .
Грейвиш продемонстрировал, как, меняя количество активных контактов (например, 6 вперед и 4 назад), можно линейно модулировать эффективный коэффициент трения всей системы .
❓ Дискуссия и применение: от сельского хозяйства до Amazon 42:10
В ходе сессии вопросов и ответов обсуждались практические перспективы представленных технологий. Грейвиш отметил, что хотя его грипперы на базе рулеток выглядят перспективно для «Amazon Picking Challenge», их текущее ограничение — точечный контакт, который не всегда надежен для сложных форм .
Перспективы в агротехе: Один из участников семинара предположил, что мягкие захваты идеальны для сбора урожая, так как они не повреждают плоды и могут проникать вглубь густой листвы . Грейвиш, однако, выразил сомнение в массовом применении, отметив, что аграрии часто предпочитают более грубые, но быстрые методы (вакуумные присоски или встряхивание дерева). Тем не менее, он согласился, что для «роскошного сельского хозяйства» — сбора дорогих и экзотических фруктов, требующих бережного выкручивания — его технология может стать незаменимой .
Профессор подытожил, что его работа — это попытка перенести сложность управления с программного обеспечения на физическую архитектуру робота, используя механику как форму вычислений (mechano-computation) .
