Почему так сложно создать робота, способного соревноваться с лягушкой?

Некоторые животные, например лягушки, демонстрируют физические способности, намного превосходящие те, что можно воспроизвести в роботах такого же размера (фото Nicolas Reusens, Barcroft)

Если мы посмотрим на современных роботов с точки зрения их «атлетических» достижений, то придется признать, что они пока заметно отстают от спортсменов – звезд в мире природы. Некоторые крошечные создания, например высоко прыгающие лягушки или насекомые, обладают невероятными сочетаниями скорости и силы, которые являются предметом зависти разработчиков микророботов во всем мире. Инженеры много лет пытаются воспроизвести физические характеристики этих животных в роботах, но так и не преуспели в этом. Новое исследование, недавно опубликованное в Science, помогает понять, в чем состоит проблема.

Моделирование природы

Секрет силы движений этих животных заключается в их уникальных, «подпружиненных» анатомических характеристиках. Шейла Патек, член исследовательской группы из Университета Дюка, считает, что их можно сравнить с луком для стрельбы. По этой причине в модель введены фундаментальные соотношения, наблюдаемые в любых движущихся компонентах, механических или природных. Пружины и защёлки или их биологические эквиваленты описываются определенными ограничениями, зависящими от большого количества переменных. Модель позволит пользователям задавать параметры, характеризующие жесткость, массу и состав этих компонентов и получать оценку максимальной физической производительности, которой может достичь вся система.

Биологические и синтетические системы усиленной мощности используют пружинные элементы для передачи движения (иллюстрация Science)

Скоро ли появятся роботы, сравнимые с животными?

Такая модель могла бы стать незаменимым инструментом для инженеров, которые работают над созданием сверхмощных микророботов, и позволила бы совершить прорыв в проектировании. Физические соотношения, заложенные в модель, дадут разработчикам возможность выделять ограничивающие переменные в кинетической системе. «Если вы хотите сконструировать робота определенного размера, модель, к примеру, позволит вам лучше понять, какую пружину выбрать, какой потребуется двигатель, какой замок для пружины стоит использовать, чтобы получить наилучшую производительность для этого размера и понять, как будет работать выбранный вариант», – пояснила Сара Бергбрейтер, исследователь из Университета Мэриленда. Другими словами, если некоторый компонент будет ограничивать кинематику системы, модель смогла бы подсказать инженерам альтернативное решение.

Проблемы, связанные с разработкой механизма, который может достичь производительности, наблюдаемой у некоторых чемпионов в мире природы, очень сложны и еще ждут своего разрешения. Исследовательская группа в конечном итоге сделала вывод о том, что самый главный признак, который сегодня отличает животных от роботов, – это не физическая сила, а слаженность двигательных функций. Мощные и быстрые движения, наблюдаемые в природе, требуют чрезвычайно сложной и многофакторной синхронизации. Механизмы захвата добычи у лягушек, блох и летающих насекомых срабатывают естественно и гармонично. Ученые, без сомнения, будут использовать эту модель для создания микророботов, шаг за шагом приближаясь к совершенству природы.