Мы уже привыкли к роботам, способным летать, плавать и бегать, а вот теперь исследователи из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре и Технологического института Джорджии разработали робота нового типа, способного зарываться в песок. У них получился быстро перемещающийся, мягкий и хорошо управляемый робот, умеющий не только спрятаться в песке но и передвигаться в нём.
Аспирант из лаборатории машиностроения при университете и ведущий автор работы Николас Наклерио пояснил, что самой большой проблемой, с которой они столкнулись при разработке робота – это силы, препятствующие ему передвигаться под поверхностью. Воздух и даже вода сопротивляются не так сильно, как песок и почва – при передвижении под землёй приходится отпихивать среду в стороны.
Однако природа предлагает множество примеров живых существ, способных передвигаться под землёй – от растений и грибов, создающих разветвлённые подземные сети, до животных, научившихся передвигаться в гранулированных средах. Понимание того, как это происходит в природе – ключ ко множеству интересных возможностей, как считает профессор физики Дэниел Голдман из Технологического института Джорджии.
По его словам, если разобраться в том, как такие разнообразные организмы способны передвигаться в подобных средах, можно будет разработать уникальные новые виды механизмов и роботов, работающих на сходных принципах.
Хорошей идеей оказалось изначально сделать робота, принцип действия которого напоминает рост лианы. Мягкий робот надувается, как бы вырастая с конца, при этом остальная часть его тела остаётся неподвижной. Такая методика удерживает сопротивление среды на низком уровне, локализуя его только на растущем конце робота.
Роющие землю животные послужили вдохновением для другой стратегии – флюидизации гранулированной среды. Если перевести частицы среды в похожее на жидкость состояние, сопротивление среды падает, и его становится легче преодолевать. К примеру, южный песчаный осьминог зарывается в песок, направляя в него струю воды, а потом при помощи щупалец погружается внутрь временно взрыхлённого дна. Подобную возможность инженеры реализовали, установив на конце робота выдувающее воздух устройство, направленное по направлению движения робота.
По словам Наклерио, главной проблемой, на которую ушло больше всего времени, было то, что как только робот начинал рыть горизонтально, его постепенно выталкивало на поверхность. При равномерном обтекании средой симметричного движущегося объекта воздействующие на него силы не сбалансированы – возникает значительная подъёмная сила, поскольку распихивать песок вверх и в стороны значительно легче, чем трамбовать его вниз.
В экспериментах выяснилось, что направленный вниз поток воздуха, вместо того, чтобы создавать подъёмную силу, как это было бы при движении в газе или воде, наоборот, уменьшает выталкивание объекта, разрывая песок непосредственно перед растущим концом робота. Позаимствовав у сцинка обыкновенного клиновидную форму мордочки, учёные смогли заставить двигаться робота горизонтально.
Подобного робота можно будет использовать для взятия образцов почвы, прокладки коммуникаций, контроля эрозии почвы. Изменяя направление кончика робота, можно менять его траекторию, а телом при этом регулировать силу, с которой он держится за окружающую среду – последнее может оказаться полезным в условиях пониженной гравитации. Команда совместно с НАСА разрабатывает роботов, которых можно будет использовать для рытья на Луне и даже на более удалённых небесных телах – к примеру, на Энцеладе.
