Роботы, вдохновлённые природой, сегодня встречаются на каждом шагу: машины копируют всё — от летучих мышей и жуков до давно вымерших морских существ. Но чтобы создать по-настоящему эффективного робота для узких задач вроде мониторинга океана во время шторма, приходится идти на шаг дальше того, что предлагает сама природа.
ALBATROSS черпает вдохновение для движения у трёх совершенно разных типов животных и объединяет их в нечто совершенно новое.
С этой мыслью исследователи из Сингапурского университета технологий и дизайна создали многоформенного робота-химеру, которого можно сбросить с большой высоты: он раскидывает и раскручивает «крылья», чтобы замедлить падение, садится на воду и плавно превращается в парусник с рулём, напоминающим рыбий хвост. Оказавшись на плаву, сенсорный робот — отчасти семя клёна, отчасти лебедь, отчасти рыба — способен автономно перемещаться несколько часов. По словам авторов работы в журнале Science Robotics, получилась машина, для которой биология служит не строгим чертежом, а «гаражом» с набором полезных взаимозаменяемых деталей. Своё творение команда назвала ALBATROSS (Airborne Lander with Buoyant AuToROtating Sailing Sensor).
«Отдельные механизмы можно заимствовать, комбинировать и дорабатывать под задачи, с которыми эволюция никогда не сталкивалась, — пишут инженеры Рафаэль Цюффери и Андре Фаринья в сопроводительной редакционной статье. — Природа не даёт готового решения целиком, но предоставляет полезные функциональные части».
ALBATROSS начался с простого наблюдения: идеального робота для дистанционного мониторинга водоёмов попросту не существует. Сейчас, чтобы быстро получить точные данные о морской среде во время ЧП — подводного землетрясения, разлива нефти или утечки химикатов, — нужно отправлять судно с экипажем, а затем спускать робота или подбираться поближе с помощью дрона. И существующие роботы, и дроны эффективны лишь отчасти. Лучшим вариантом, отмечает команда, был бы аппарат, который можно сбросить с воздуха прямо в точку происшествия, после чего он сам обследует район. Для этого нужна машина, одинаково уверенно работающая и в воздухе, и на воде, но при этом достаточно простая и недорогая, чтобы исследовательские группы реально могли её применять.
Как и многие робототехники до них, авторы обратились за идеями к природе. Но поиск рукотворных разливов нефти — не та задача, под которую какое-либо существо эволюционировало. Здесь и пригодился подход «природа как склад деталей». Для фазы полёта, когда робот тормозит крыльями, инженеры позаимствовали принцип у скромного семени клёна. Для «парусной» части они изучили анатомию лебедей-шипунов (Cygnus olor), а задний руль по форме напоминает хвостовой плавник рыбы. Такой руль помогает двигаться вперёд, когда ветра мало или когда идти приходится против него.
Особенно примечательна простота ALBATROSS. Те же жёсткие «конечности», которыми он вращается в воздухе, в воде служат парусами. Благодаря двойному назначению деталей команде не пришлось добавлять лишние узлы, которые могли бы ломаться или удорожать разработку. Итоговый робот весит около килограмма и управляется всего тремя приводами и тремя основными датчиками.
Команда испытывала ALBATROSS в серии запусков над двумя водохранилищами в Сингапуре. В каждом испытании робота поднимали над водой на дистанционно управляемом дроне, который зависал на высоте около 150 метров, а затем отпускал аппарат. Робот вращающимися «крыльями» замедлял падение примерно со 110 до 24 км/ч, смягчая приземление.
По данным команды, это акробатическое вращение, критически важное для безопасного сброса, снижает силу удара в 18 раз. Замедлившись, ALBATROSS почти мгновенно выравнивается и плавно принимает форму, напоминающую игрушечный парусник.
Благодаря простым, но эффективным датчикам робот обследовал тестовый район практически без вмешательства человека, непрерывно фиксируя данные о среде — в том числе влажность и колебания температуры. Именно такие измерения и понадобились бы сенсорному роботу в реальной ситуации. А то, чего ALBATROSS недобирает в механической сложности, он компенсирует энергоэффективностью: в одном из экспериментов длительностью около трёх часов у робота осталось примерно 50% заряда основной батареи.
«Объединяя минимальное управление, биоинспирированные структуры и пассивную динамику в воздушном и морском режимах, эта работа выводит обобщаемые принципы проектирования лёгких, пригодных для воздушного сброса парусных роботов, способных на надёжный и энергоэффективный мониторинг моря», — пишут авторы.
Впрочем, не стоит ждать, что ALBATROSS в ближайшее время отправится в самое сердце урагана: его лёгкий и небольшой корпус едва ли продержится сколько-нибудь долго в бушующих волнах. Но даже при ограниченной пока области применения главное достижение проекта, возможно, в другом — он расширяет само представление о том, что значит создавать робота, вдохновлённого природой, с акцентом именно на слове «вдохновлённого».
