Мягкая робототехника: применение волнообразного движения змеи

Змеи, с их кажущейся простотой движения, являются одними из самых эффективных существ в плане передвижения в природе. Они способны не просто скользить по песку, но и взбираться по крутым склонам, огибать препятствия и даже подниматься по вертикальным трубам.

Учёные и инженеры давно пытаются разгадать этот секрет, и сегодня фундаментальные исследования механики змеиного тела привели к новому этапу в области мягкой робототехники. Эти разработки обещают создать новый класс машин, способных работать в самых сложных и опасных условиях.

Биомеханика: Как змея покоряет рельеф

Основным ключом к успеху змеи является не только гибкость тела, но и особое строение её кожи. Змея применяет эффект анизотропного трения — это означает, что сила трения, возникающая при контакте с поверхностью, разная в зависимости от направления движения.

Это достигается за счёт тысяч перекрывающихся чешуек. Каждая чешуйка имеет микроскопические структуры, которые работают как крошечные, направленные «шипы». В результате змея скользит вперёд с минимальным сопротивлением, но цепляется за поверхность при попытке отскочить назад или вбок.

Этот принцип особенно ярко проявляется в так называемом боковом волнообразном движении («сайдвайндинг»), которое змеи используют на сыпучих поверхностях.

Классическим примером является рогатый гремучник (Crotalus cerastes). В отличие от других хзмей, он передвигается именно боковым ходом, что является адаптацией, уменьшающей скольжение на рыхлом песке и снижающей нагрев тела от него.

При таком передвижении змея оставляет на песке характерные следы, напоминающие перевёрнутую букву J. Исследователи из Технологического института Джорджии выяснили, что даже небольшое изменение угла и натяжения тела позволяет змее преодолевать участки с рыхлым, сыпучим грунтом и вертикальные препятствия, эффективно перераспределяя точки контакта.

Инженерный ответ: Роботы с «Киригами-кожей»

Способность змей адаптироваться к любой поверхности стала прямым вдохновением для «мягкой робототехники» — направления, где роботы создаются из гибких, податливых материалов, имитирующих биологические организмы.

В то время как традиционные роботы используют колёса или механические ноги, инженеры из Гарвардской школы инженерии (SEAS) создали один из самых ярких примеров биомиметики змеиного передвижения. Они разработали мягкого робота, используя принцип киригами (японское искусство вырезания из бумаги).

На внешнюю оболочку робота (изготовленную из гибкого полимера) наносится узор из точно рассчитанных разрезов. Когда робот надувается с помощью пневматического привода, эти разрезы превращают плоскую поверхность в 3D-текстуру, которая в точности повторяет анизотропные свойства змеиной чешуи.

Эта «киригами-кожа» позволяет роботу ползти вперёд, поскольку трение, направленное назад, значительно выше, что устраняет необходимость в сложных двигателях и колёсах.

В других исследованиях, например в Университете Карнеги-Меллона, созданы модульные змееподобные роботы, способные взбираться по вертикальным прутам и кабелям, используя принцип обвивания и цепляния, характерный для древесных змей. Такие роботы уже продемонстрировали способность переносить груз, в 25 раз превышающий ихсобственный вес.

Потеницальное применение: От спасательных команд до космоса

Развитие мягких, адаптивных роботов, повторяющих принцип движения змеи, открывает новые возможности, особенно в тех сферах, где механические конструкции оказываются громоздки или бессильны.

Потенциальные сферы применения включают не только поисково-спасательные операции, где роботы-змеи могут проникать в узкие завалы и трещины, но и задачи, требующие тонкой манипуляции:

• Инспекция и монтаж в промышленности: Змееподобные роботы незаменимы для инспекции труднодоступныхмест, таких как внутренние конструкции реакторов, трубопроводов или самолётов. Благодаря модульной структуре и возможности обвиваться, они могут служить платформой для монтажа и мелкого ремонта, например, для закрепления датчиков, затяжки гаек или прокладки кабелей в тесных, опасных зонах, куда человек попасть не может.
• Сборка в космосе: В космических исследованиях такие роботы рассматриваются как высокоадаптивные манипуляторы. В условиях микрогравитации они могут использоваться для сборки, инспекции и ремонта оборудования на орбитальных станциях и спутниках. Их гибкость позволяет им обвивать и фиксировать себя на конструкциях, чтобы обеспечить стабильность во время работы сборочными инструментами на концевом модуле.
• Медицина: На основе этих принципов разрабатываются миниатюрные, гибкие медицинские инструменты и микроманипуляторы, способные мягко перемещаться внутри организма для доставки имплантов или выполнения малоинвазивных процедур.

Вывод

Изучение биомеханики змей является ярким примером того, как простая и эффективная эволюционная стратегия может быть напрямую скопирована и преобразована в высокотехнологичное инженерное решение.

Работы учёных по воспроизведению анизотропного трения чешуи позволили создать новое поколение мягких, адаптивных роботов. Эта технология уже сегодня меняет представление о возможностях машин и обещает стать основой для спасательных, инспекционных, сборочных и медицинских систем будущего.