Изучая, как движутся живые существа, команда инженеров из университете Johns Hopkins создала роботизированную змею, которая ловко и стабильно поднимается по ступенькам. Исследование может быть использовано для создания поисковых и спасательных роботов, которые могут перемещаться по пересеченной местности, а также городским препятствиям, таким как ступени и бордюры.
«Мы обращаемся к этим «жутким» существам за вдохновением в движении, потому что они настолько искусны в этом, что могут с легкостью преодолевать практически любые препятствия», — говорит Чэнь Ли, профессор машиностроения в университете Джона Хопкинса. «Надеюсь, наш робот научится качаться и ползать по поверхности, как змеи».
Предыдущие исследования в основном наблюдали движения змей на плоских поверхностях, но редко исследовали их движение в трехмерной системе координат. Данные исследования были проигнорированы для реально больших препятствий, с которыми сталкиваются змеи, такие как щебень и мусор, которые робот-спасатель также должен был бы преодолевать.
Команда сначала изучила, как королевская змея — змея, которую обычно можно встретить в пустынях и лесах, взбиралась по ступенькам в школьной Лаборатории Terradynamics. Лаборатория объединяет области инженерии, биологии и физики, чтобы изучить движения животных для понимания, как создавать более мобильные и универсальные роботы.
«Королевская змея должна регулярно путешествовать по валунам и упавшим деревьям; она мастер передвижения, и мы можем многому научиться у данного вида пресмыкающихся», — говорит Ли.
Команда провела серию экспериментов, в которых изменяли высоту ступеней и поверхностное трение, чтобы увидеть, как змеи изгибали свои тела, чтобы подняться на их барьеры. Они обнаружили, что змеи разделяли свои тела на три секции при движении: переднюю и заднюю секции, которые извивались взад и вперед по горизонтальным ступеням, как волна, и среднюю секцию, которая оставалась жесткой, чтобы достичь вершины ступени. Извивающиеся секции обеспечивали устойчивость, чтобы не допустить опрокидывания змеи.
Когда змеи двигались по ступенькам вверх и вверх, эти три части тела двигались вниз по телу змеи к ее хвосту. По мере того как все большая часть тела змеи достигала верхней части ступени, передняя часть тела становилась длиннее, задняя часть становилась короче, а средняя часть оставалась равной высоте ступени и удерживалась вертикально. Если бы ступеньки становились выше или более скользкими, змеи двигались бы медленнее и меньше шевелились бы в голове и в хвосте, чтобы сохранить устойчивость.
После чего команда разработала робота, который копировал технику передвижения змеи. При тестировании первого робота он с трудом оставался устойчивым на больших ступенях и часто колебался и переворачивался или застревал на ступеньках. Чтобы преодолеть эту проблему, исследователи добавили роботу подвеску на каждом сегменте корпуса. Подвеска прижимала колеса к поверхности при необходимости. После этого роботизированная змея стала более устойчивой и поднималась по ступенькам высотой 38% длины тела робота с почти 100% успехом. Однако недостатком дополнительной системы подвески корпуса было то, что робот потреблял больше электроэнергии.
По сравнению с роботизированной змеей из других исследований, новая была быстрее и устойчивее, чем остальные, что сделало возможным приближение к скорости реальной змеи.
«Животное все еще намного лучше, но эти результаты являются многообещающими для роботов, которые могут преодолевать большие препятствия», — добавляет Ли.
Команда хочет проверить на устойчивость и улучшить роботизированную змею для еще более сложных трехмерных ландшафтов с более неструктурированными большими препятствиями.
