Роботи навчилися копати землю — чому це прорив в робототехніці

16

Щоб подолати обмеження традиційної робототехніки, дослідники каліфорнійського університету в санта-барбарі (ucsb) і технологічного інституту джорджії надихалися досвідом природи, а саме зміями.

Сили, що чинять опір підземному руху, на порядки вище, ніж в повітрі або воді. Наприклад, людина не може викопати яму майже так само швидко, як він може бігати або навіть плавати. В результаті для більшості методів копання потрібна важка і потужна техніка на зразок екскаваторів. Хоча ці інструменти ефективні, вони обмежені в можливості змінювати напрямок під землею і можуть бути не найбільш практичними в порівнянні з невеликим роботом.

м’який робот-змія. Зображення: ucsb

Ще одна проблема горизонтального риття тунелів полягає в тому, що на симетричний об’єкт, що рухається горизонтально в гранульованому середовищі, діє підйомна сила. Легше штовхати пісок вгору і в сторону, ніж ущільнювати його-в результаті об’єкт, що рухається по піску горизонтально, завжди прагне піднятися на поверхню.

Головна частина нового робота — його наконечник, який виступає на зразок кореня рослини. Робот просувається вперед, висуваючись з наконечника, а значить, вся інша його частина залишається нерухомою щодо навколишнього середовища. Таким чином, незалежно від довжини робота і його шляху, йому потрібно подолати тільки сили опору на наконечнику, а не з боків.

робот-змія здатний зариватися в пісок, не відчуваючи опору з боків. Зображення: ucsb

Іншою проблемою, яку довелося вирішити дослідникам, була сила опору, що виникає на підставі робота. Вони вирішили цю проблему за допомогою гранульованого псевдозрідженого шару (це стан, характерний для сипучих матеріалів при пропущенні через них потоку повітря або газу під тиском). Робот видуває зі свого наконечника струмінь повітря, яка викопує і розріджує навколишній пісок. Таким чином, тиск повітря, що проходить через частинки піску, призупиняє їх, дозволяючи їм текти повз один одного, як рідина.

Інженери також подолали підйомну силу, створювану при горизонтальному риття нір, за рахунок грамотного використання повітряного потоку. Направляючи повітря прямо вниз, перпендикулярно напрямку руху робота, пісок розпушується під наконечником робота, а створювана ним підйомна сила зменшується. Це забезпечує контрольоване горизонтальне копання і поворот. Такий принцип застосовує ящірка-піщанка, яка використовують свій клиноподібний ніс, щоб допомогти собі заритися в пісок.

Проект виник тому, що інженери були зацікавлені в створенні моделі росту коренів рослин. Вони використовували принцип висування наконечника робота-змії в іншій роботі, щоб вивчити, як коріння рослин можуть пасивно рости навколо перешкод. Але горизонтальне копання виявилося набагато складніше, ніж очікувалося, тому що робот продовжував “спливати” на поверхню.

Під час створення прототипу робота також провели серію контрольованих фізичних експериментів, щоб зрозуміти як потік рідини впливає на підйомну силу і опір твердого об’єкта, що рухається через пісок.

як працює робот-змія. Відео: ucsb

Подовження наконечника і гранульоване псевдозрідження мають ряд переваг в порівнянні з іншими методами. Наприклад, при висуванні з наконечника робот не відчуває тертя з боків, тобто тертя не збільшується зі збільшенням довжини або кривизни траєкторії. А подовження наконечника означає, що робот може повертатися в будь-якому напрямку, незалежно від пройденого ним шляху. Сучасні методи, такі як похило-спрямоване буріння, обмежені в цьому.

Розробка забезпечує поліпшену продуктивність при довгому, неглибокому і спрямованому риття і має безліч потенційних застосувань в майбутньому. На землі це відбір проб грунту, мінімально інвазивне зрошення, установка проводів або геотермальних петель без риття траншей, боротьба з ерозією, пошуково-рятувальні роботи і огляд зерносховищ. Цей метод також добре підходить для сухих позаземних середовищ з низькою гравітацією, де може бути важко створити реактивні сили. У майбутньому вчені сподіваються дослідити можливість інтеграції подовжувача наконечника з традиційними технологіями буріння та розвідки.