Спросите любого, какой образ приходит вам на ум, когда вы произносите слово «робот » , и, несомненно, вы получите ответы, вдохновленные популярной культурой. Например, жидкий металл, меняющий форму Т-1000 из фильма « Терминатор 2: Судный день» (1991); или Оптимус Прайм, лидер автоботов и главный герой фильмов «Трансформеры» (2014-). И кто может забыть Data from Star Trek: The Next Generation (1987-94), кибертронную версию Пиноккио, стремящегося стать более человечным?

Эти (и бесчисленное множество других) экземпляров имеют гуманоидные характеристики, заложенные в их конструкциях. Когда Оптимус не грузовик, у него есть руки и ноги. Форма Т-1000 по умолчанию выглядит как человек. Дейта был смоделирован по образцу его очень человеческого создателя. По голливудским стандартам высшая форма робототехники будет внешне неотличима от самих людей.

Наше воображение царит на свободе, но технологические проблемы по-прежнему ограничивают создание роботов, которые идеально имитируют гуманоидные условности в реальном мире. Тем не менее я попытался справиться с этой задачей. Мои исследования в области машиностроения позволили мне продолжить поиски конструкции механизмов со сложными параметрами. Один из них разрабатывал глазодвигательный симулятор человека. Нет, это не был проект по созданию компонента Терминатора; скорее, это была попытка понять и смоделировать поведение человеческого глаза.

Это потребовало создания глазной системы, которая совершала саккадические движения — быстрые одновременные движения двух глаз в одном направлении с максимальной скоростью более 500 градусов в секунду (да, мы, люди, делаем это). Подобно человеческим глазам, механическая система будет работать с тремя независимыми вращательными степенями свободы (DoF). Наши глаза не только двигаются вверх-вниз и влево-вправо, но и совершают торсионные – скручивающие движения. Встроить все электрические и механические части, включая шарниры, звенья и двигатели, в единую систему было непростой задачей. И все для очень определенной и единственной задачи.

Затем последовало несколько других типов роботов, вдохновленных гуманоидами. И хотя мне удалось достичь ближайшей цели, какой бы она ни была, у моих роботов были ограничения. Например, я разработал роботизированную руку с 8 степенями свободы и руку с 7 степенями свободы (вместе весящие 3,7 кг, что сопоставимо с человеческим), которые оставались достаточно гибкими, чтобы хватать и бросать бейсбольный мяч, но не могли поднимать монету. Он мог пожимать руки сильным захватом, но не мог играть в войну больших пальцев.

Короче говоря, конечности, которые я создавал, были ограничены в своих функциях. У них было фиксированное количество суставов и приводов, а это означало, что их функциональность и форма были ограничены с момента их зачатия. Подумайте об этой роботизированной руке: у нее были шарнирные и моторизованные соединения, которые позволяли ей ударять по мячу, но она не подходила для приготовления яичницы-болтуньи. Но если бы существовало бесконечное множество задач, потребовалось бы бесконечное множество комбинаций?

Безграничный мир, показанный в таких фильмах, как «Большой герой 6 » (2014) с участием микроботов, казался далеким, когда я понял, что уже существует гибкая и универсальная платформа для дизайна. Этот метод взятия одного и того же основного компонента и использования его для создания множества различных и специфических форм применялся веками. Это называется оригами. кто не сделал бумажный самолетик, бумажный кораблик или бумажный журавлик из одного листа бумаги? Origami — это уже существующая и очень универсальная платформа для дизайнеров. Из одного листа можно сделать несколько фигур и, если не понравится, развернуть и снова сложить. На самом деле, математика доказала, что любую трехмерную форму можно сделать из складывающихся двухмерных поверхностей.

Можно ли это применить к робототехнике? Представьте роботизированный модуль, который будет использовать формы многоугольника для создания нескольких разных форм, чтобы создать множество роботов для множества разных задач. Кроме того, представьте себе интеллектуальный лист, который может самостоятельно складываться в любую форму, которую он хочет, в зависимости от потребностей окружающей среды.

Я сделал своего первого робота-оригами, которого назвал «робогами», около 10 лет назад. Это было простое существо, плосколистовой робот, который мог превращаться в пирамиду и обратно в плоский лист, а затем в космический шаттл.

Мое исследование , проведенное с помощью аспирантов и постдока, с тех пор продвинулось вперед, и теперь появилось новое поколение робогами. Это новое поколение робогами служит определенной цели: например, один из них может автономно перемещаться по разным ландшафтам. По сухой и ровной местности может ползать. Если он внезапно встретится с пересеченной местностью, он начнет катиться, активируя другую последовательность приводов. Кроме того, если он встретит препятствие, он просто перепрыгнет его! Он делает это, накапливая энергию в каждой из своих ног, затем высвобождая ее и катапультируя себя, как рогатка. Они могли даже прикрепляться и отсоединяться, в зависимости от среды и задачи. Вместо того, чтобы быть одним роботом, специально созданным для одной единственной задачи, robogamis разработаны и оптимизированы для многозадачности с нуля.

Это пример одиночных робогами. Но представьте, что могли бы сделать многие робогами в группе. Они могли бы объединить усилия для решения более сложных задач. Каждый модуль, активный или пассивный, может собираться для создания различных форм. И не только это, контролируя складывающиеся суставы, они могут решать разнообразные задачи в меняющихся условиях. Например, подумайте о космосе, где условия непредсказуемы. Единая роботизированная платформа, которая может трансформироваться для выполнения нескольких задач, может повысить вероятность успеха миссии.

Дизайн Робогами обязан радикальной геометрической реконфигурации двум основным научным открытиям. Одним из них является послойный двухмерный производственный процесс: множество функциональных слоев основных компонентов робота (то есть микроконтроллеров, датчиков, приводов, схем и даже аккумуляторов) укладываются друг на друга. Другим является конструктивное преобразование типичных механических соединений в различные складные соединения (например, фиксированное соединение, штифтовое соединение, плоское и сферическое соединение).

Это означает, что вместо того, чтобы сосредоточиться только на минимизации размера компонентов соединения, мы можем фактически уменьшить количество компонентов при проектировании роботов. Мы можем миниатюризировать системы с многочисленными компонентами, требующими сложной сборки и калибровки, сделав их плоскими; их можно штабелировать и при этом сохранять свою точность.

Одной из таких систем является тактильное устройство, в котором пользователь и компьютер взаимодействуют с помощью такого механизма, как джойстик. Они обычно используются в качестве хирургических роботов, где хирургам требуется высокая точность с тонкой силовой обратной связью. Для этого требуется большая операционная с роботизированными манипуляторами с высокой степенью свободы, где хирурги могли бы чувствовать различную жесткость органов и полостей с помощью моторизованного интерфейса, который будет преобразовывать разницу сил на кончике роботизированного концевого эффектора.

С робогами эта тактильная технология может стать доступнее, чем когда-либо. Тактильный интерфейс робогами будет похож на складной джойстик, который можно прикрепить к чехлу мобильного телефона. Наличие тактильного интерфейса, связанного напрямую с мобильным телефоном, означает, что его можно использовать в качестве портативного джойстика, который может реагировать на наши повседневные действия, такие как онлайн-обучение или покупки. Это позволит вам почувствовать различные органы в атласе анатомии человека, различные географические объекты на карте или даже твердость или зрелость различных видов сыра и персиков.

Технологии робототехники развиваются, чтобы быть более персонализированными и адаптивными для людей, и этот уникальный вид реконфигурируемых роботов-оригами демонстрирует огромные перспективы. Это могло бы стать платформой для обеспечения интуитивно понятного встраиваемого роботизированного интерфейса для удовлетворения наших потребностей. Роботы больше не будут похожи на персонажей из фильмов. Вместо этого они будут окружать нас повсюду, постоянно адаптируя свою форму и функции, а мы даже не заметим этого.