Создание биоинспирированных роботов: имитация природы для передовой робототехники

На протяжении веков люди черпали вдохновение в природе. От летательных аппаратов Леонардо да Винчи, основанных на полете птиц, до современной липучки, вдохновленной репейником, природа предлагает множество инновационных решений. Это вдохновение распространяется и на робототехнику, породив область биоинспирированной робототехники, также известную как биомимикрия в робототехнике. Эта область нацелена на проектирование и создание роботов, которые имитируют движение, восприятие и поведение живых организмов. Такой подход позволяет инженерам создавать роботов, способных перемещаться в сложных условиях, выполнять замысловатые задачи и взаимодействовать с миром новыми и эффективными способами.

Что такое биоинспирированная робототехника?

Биоинспирированная робототехника — это междисциплинарная область, объединяющая биологию, инженерию и информатику. Она включает в себя изучение структуры и функций биологических систем с последующим использованием этих знаний для проектирования и создания роботов, способных имитировать эти системы. Ключевой принцип заключается в извлечении основополагающих принципов природных решений и их применении в проектировании роботов.

В отличие от традиционной робототехники, которая часто полагается на жесткие конструкции и заранее запрограммированные движения, биоинспирированные роботы обычно проектируются гибкими, адаптивными и энергоэффективными. Они часто включают в себя передовые материалы, датчики и приводы для воспроизведения сложных движений и сенсорных возможностей живых организмов. Это особенно полезно в областях, где традиционные роботы испытывают трудности, например, при навигации по пересеченной местности или работе в загроможденных пространствах.

Почему биоинспирация? Преимущества и применение

Биоинспирированная робототехника предлагает многочисленные преимущества по сравнению с традиционной, в том числе:

• Адаптивность: Биологические системы обладают высокой адаптивностью к изменяющимся условиям. Биоинспирированные роботы могут быть спроектированы так, чтобы демонстрировать подобную адаптивность, что позволяет им эффективно работать в широком диапазоне условий.
• Эффективность: Эволюция оптимизировала биологические системы для достижения энергоэффективности. Биоинспирированные роботы могут потреблять меньше энергии, чем традиционные, что делает их подходящими для длительных миссий.
• Маневренность: Многие биологические организмы демонстрируют поразительную маневренность, особенно в сложных условиях. Биоинспирированные роботы могут имитировать эти движения, что позволяет им перемещаться по сложным ландшафтам и пространствам.
• Новые решения: Природа часто предлагает решения инженерных проблем, которые люди еще не придумали. Биоинспирированная робототехника может привести к разработке совершенно новых конструкций и возможностей роботов.

Эти преимущества делают биоинспирированных роботов хорошо подходящими для широкого спектра применений, включая:

Поисково-спасательные операции

Роботы, способные передвигаться в разрушенных зданиях или затопленных районах, имеют решающее значение для поисково-спасательных операций. Биоинспирированные роботы, такие как змееподобные роботы или летающие роботы, вдохновленные насекомыми, могут проникать в места, которые слишком опасны или недоступны для людей.

Пример: Змееподобный робот, разработанный в Университете Карнеги-Меллона, может передвигаться сквозь завалы и обломки для поиска выживших в зонах бедствия. Эти роботы имитируют волнообразные движения змей, что позволяет им протискиваться в узкие пространства и взбираться на препятствия.

Мониторинг окружающей среды

Мониторинг состояния окружающей среды, например, качества воды или загрязнения воздуха, часто требует роботов, способных работать в суровых или удаленных условиях. Биоинспирированные подводные роботы, такие как рыбоподобные роботы, могут эффективно патрулировать большие водоемы, в то время как летающие роботы, вдохновленные насекомыми, могут отслеживать качество воздуха в городских районах.

Пример: Исследователи из МТИ разработали роботизированных рыб, которые могут автономно плавать в океане, собирая данные о температуре воды, солености и уровне загрязнения. Эти роботы спроектированы так, чтобы быть энергоэффективными и незаметными, минимизируя их воздействие на морскую среду.

Медицинская робототехника

Биоинспирированные роботы могут выполнять малоинвазивные операции, доставлять лекарства в целевые области тела и помогать в реабилитации. Например, микророботы, вдохновленные насекомыми, однажды могут быть использованы для навигации по кровеносным сосудам для доставки лекарств непосредственно к опухолям.

Пример: Мягкие роботы, вдохновленные щупальцами осьминога, разрабатываются для малоинвазивной хирургии. Эти роботы могут принимать форму внутренних органов, позволяя хирургам достигать труднодоступных мест с минимальным повреждением тканей.

Производство и инспекция

Роботы, вдохновленные такими животными, как муравьи, которые могут эффективно сотрудничать, могут использоваться в передовых процессах на сборочных линиях. Роевая робототехника, подраздел биоинспирированной робототехники, может оптимизировать перемещение предметов на сборочных линиях, сокращая отходы и улучшая общий рабочий процесс.

Пример: Распределенные роботизированные системы используются на складах подобно тому, как муравьи организуют задачи для коллективной эффективности. Отдельные роботы сотрудничают для выполнения заказов на отгрузку быстрее и точнее, чем при опоре исключительно на человеческий труд или централизованно управляемые системы.

Сельское хозяйство

Робототехника может применяться для мониторинга здоровья урожая, выявления сорняков и точного внесения удобрений. Роботы, напоминающие дождевых червей, могут аэрировать почву, улучшать ее дренаж и повышать эффективность доставки питательных веществ, тем самым способствуя увеличению урожайности и снижению зависимости от химикатов.

Пример: Сельскохозяйственные роботы оснащены датчиками и технологиями визуализации, позволяющими в режиме реального времени оценивать состояние здоровья урожая. Используя эти данные, роботизированные системы могут автономно применять целевые обработки, которые минимизируют воздействие на окружающую среду.

Ключевые принципы и примеры биоинспирированных конструкций

В биоинспирированном проектировании роботов обычно используются несколько ключевых принципов:

Локомоция

Имитация передвижения животных является центральной темой в биоинспирированной робототехнике. Исследователи изучают походку и движения различных животных для разработки роботов, которые могут ходить, бегать, плавать или летать более эффективно.

• Ходячие роботы: Вдохновленные четвероногими, такими как собаки и лошади, ходячие роботы предназначены для навигации по пересеченной местности и поддержания устойчивости. Spot от Boston Dynamics является ярким примером четвероногого робота, который может ходить, бегать и подниматься по лестнице.
• Плавучие роботы: Рыбоподобные роботы спроектированы для имитации волнообразных движений рыб, что позволяет им эффективно плавать и маневрировать в сложных подводных средах. Эти роботы часто используют гибкие плавники или волнообразные тела для создания тяги.
• Летающие роботы: Летающие роботы, вдохновленные насекомыми, спроектированы для имитации взмахов крыльев насекомых, что позволяет им зависать в воздухе, маневрировать в ограниченном пространстве и переносить небольшие грузы. Эти роботы часто используют легкие материалы и передовые алгоритмы управления для достижения стабильного полета.
• Змееподобные роботы: Змееподобные роботы имитируют движение змей. Они могут перемещаться в замкнутых пространствах, преодолевать препятствия и часто используются в поисково-спасательных операциях и промышленной инспекции.

Сенсорика

Биологические организмы обладают широким спектром сенсорных возможностей, включая зрение, слух, обоняние и осязание. Биоинспирированные роботы могут быть оснащены датчиками, которые имитируют эти возможности, позволяя им воспринимать и взаимодействовать с окружающей средой более тонко.

• Зрение: Биоинспирированные системы зрения могут имитировать структуру и функции человеческого глаза, позволяя роботам обнаруживать и отслеживать объекты, распознавать лица и ориентироваться в сложных средах. Событийные камеры, вдохновленные тем, как биологические глаза обрабатывают визуальную информацию, используются в высокоскоростной робототехнике.
• Слух: Биоинспирированные системы слуха могут имитировать структуру и функции человеческого уха, позволяя роботам определять местоположение источников звука, распознавать речь и обнаруживать тонкие изменения в окружающей среде.
• Обоняние: Биоинспирированные обонятельные системы могут имитировать чувство запаха, позволяя роботам обнаруживать и идентифицировать химические вещества в воздухе или воде. Эти системы могут использоваться для мониторинга окружающей среды, обеспечения безопасности и медицинской диагностики.
• Осязание: Биоинспирированные тактильные датчики могут имитировать чувство осязания, позволяя роботам ощущать форму, текстуру и температуру объектов. Эти датчики могут использоваться для манипуляций, сборки и взаимодействия человека с роботом.

Актуация

Актуаторы — это мышцы робота, обеспечивающие силу и движение, необходимые для выполнения задач. Биоинспирированные актуаторы могут имитировать структуру и функции биологических мышц, позволяя роботам двигаться более плавно, эффективно и мощно.

• Пневматические актуаторы: Вдохновленные тем, как мышцы сокращаются и расширяются, пневматические актуаторы используют сжатый воздух для создания силы. Эти актуаторы легкие, гибкие и могут создавать большие усилия.
• Гидравлические актуаторы: Подобно пневматическим актуаторам, гидравлические актуаторы используют жидкость под давлением для создания силы. Эти актуаторы мощнее пневматических и могут использоваться для тяжелых условий эксплуатации.
• Электроактивные полимеры (ЭАП): ЭАП — это материалы, которые изменяют свою форму или размер под воздействием электрического поля. Эти материалы могут использоваться для создания искусственных мышц, которые являются легкими, гибкими и энергоэффективными.
• Сплавы с памятью формы (СПФ): СПФ — это материалы, которые могут возвращаться к заранее определенной форме при нагревании. Эти материалы могут использоваться для создания компактных, мощных и надежных актуаторов.

Будущее биоинспирированной робототехники

Биоинспирированная робототехника — это быстро развивающаяся область, обладающая потенциалом революционизировать многие аспекты нашей жизни. По мере того как наше понимание биологических систем продолжает расти, мы можем ожидать появления еще более сложных и способных биоинспирированных роботов в будущем.

Некоторые из ключевых тенденций в биоинспирированной робототехнике включают:

Передовые материалы

Разработка новых материалов с улучшенными свойствами, таких как легкие композиты, гибкие полимеры и самовосстанавливающиеся материалы, позволяет создавать более прочных и адаптивных биоинспирированных роботов.

Искусственный интеллект (ИИ) и машинное обучение (МО)

ИИ и МО играют все более важную роль в биоинспирированной робототехнике, позволяя роботам учиться на опыте, адаптироваться к изменяющимся условиям и принимать автономные решения. Алгоритмы МО могут использоваться для оптимизации управления роботом, улучшения производительности датчиков и разработки новых роботизированных поведений.

Роевая робототехника

Роевая робототехника включает координацию большого количества простых роботов для выполнения сложных задач. Вдохновленная коллективным поведением насекомых и других социальных животных, роевая робототехника предлагает масштабируемый и надежный подход к решению сложных проблем. Эти системы могут быть полезны для картирования окружающей среды, поиска ресурсов и выполнения распределенных задач.

Мягкая робототехника

Мягкая робототехника фокусируется на проектировании и создании роботов с использованием гибких и деформируемых материалов. Вдохновленные мягкими телами животных, таких как осьминоги и черви, мягкие роботы могут приспосабливаться к форме своей среды, перемещаться в узких пространствах и безопасно взаимодействовать с людьми. Эти роботы особенно хорошо подходят для медицинских применений, производства и исследований.

Проблемы в биоинспирированной робототехнике

Несмотря на свой огромный потенциал, биоинспирированная робототехника сталкивается с несколькими проблемами:

• Сложность: Биологические системы невероятно сложны, и воспроизведение их структуры и функций в роботе является серьезной инженерной задачей.
• Материалы: Разработка материалов, которые могут имитировать свойства биологических тканей, такие как гибкость, прочность и способность к самовосстановлению, является основной областью исследований.
• Управление: Управление движениями и поведением биоинспирированных роботов может быть сложным, особенно для роботов с большим количеством степеней свободы. Для достижения точных и скоординированных движений необходимы передовые алгоритмы управления и методы слияния данных с датчиков.
• Энергоэффективность: Проектирование энергоэффективных биоинспирированных роботов имеет решающее значение для длительных миссий. Оптимизация конструкции актуаторов, датчиков и систем управления необходима для минимизации потребления энергии.
• Этичные соображения: По мере того как биоинспирированные роботы становятся все более сложными, важно учитывать этические последствия их использования. Вопросы, такие как автономия, безопасность и конфиденциальность, требуют тщательного рассмотрения.

Примеры биоинспирированных роботов по всему миру

По всему миру разрабатываются инновационные биоинспирированные роботы. Вот несколько примеров:

• Европа: Программа Европейского союза «Горизонт 2020» профинансировала несколько проектов в области биоинспирированной робототехники, включая исследования летающих роботов, вдохновленных насекомыми, и мягких роботов для медицинского применения. Робот OctoArm, вдохновленный щупальцами осьминога, разработан в Италии для захвата и манипулирования в сложных средах.
• Азия: В Японии исследователи разрабатывают змееподобных роботов для поисково-спасательных операций и гуманоидных роботов, которые имитируют движения человека, для ухода за пожилыми людьми и вспомогательных технологий.
• Северная Америка: В Соединенных Штатах ведутся исследования четвероногих роботов для военных и промышленных применений, а также подводных роботов для исследования океана. Робот Cheetah от МТИ хорошо известен своей скоростью бега и маневренностью.
• Австралия: Исследователи работают над роботами, предназначенными для помощи в управлении биоразнообразием, такими как робот Starbug от Университета Джеймса Кука, который используется для уничтожения морской звезды «терновый венец», представляющей серьезную угрозу для Большого Барьерного рифа.

Заключение

Биоинспирированная робототехника — это быстрорастущая область, которая обещает решить некоторые из самых насущных мировых проблем. Имитируя гениальные решения, найденные в природе, инженеры создают роботов, которые более адаптивны, эффективны и способны, чем когда-либо прежде. По мере того как исследования и разработки в этой области продолжают продвигаться, мы можем ожидать появления еще более инновационных и значимых биоинспирированных роботов в ближайшие годы. Будущее робототехники несомненно связано с природой, и возможности поистине безграничны.

Будь то поисково-спасательные операции, мониторинг окружающей среды, медицинские процедуры или производственные процессы, принципы биомимикрии призваны переопределить границы того, что могут достичь роботы. Применение этого подхода гарантирует, что конструкции будут не только инновационными, но и гармонизированными с миром природы, предлагая устойчивые и эффективные решения.