В исследовании, опубликованном в выпуске журнала Science от 10 октября, исследователи из Технологического института Джорджии, Университета Карнеги-Меллона, Университета штата Орегон и зоопарка Атланты сообщают, что боковые зимние животные улучшают свою способность преодолевать песчаные склоны, просто увеличивая количество их область тела, контактирующая с гранулированными поверхностями, по которым они поднимаются.В рамках исследования принципы, используемые sidewinders для изящного восхождения на песчаные дюны, были протестированы с использованием модульного робота-змеи, разработанного в Карнеги-Меллон.
До исследования робот-змея мог использовать один компонент бокового движения для перемещения по ровной поверхности, но не мог подняться по наклонной песчаной дорожке, по которой могли легко подняться настоящие змеи. В реальном приложении — археологической миссии в пещерах Красного моря — песчаные склоны были особенно сложны для робота.Однако, когда робот был запрограммирован на уникальное волновое движение, обнаруженное в боковых крыльях, он смог подниматься по склонам, которые ранее были недостижимы.
Исследование финансировалось Национальным научным фондом, Исследовательским офисом армии и Лабораторией армейских исследований.«Наша первоначальная идея заключалась в том, чтобы использовать робота в качестве физической модели, чтобы узнать, что испытывают змеи», — сказал Дэниел Голдман, доцент Физической школы Технологического института Джорджии. «Изучая животное и его физическую модель одновременно, мы узнали важные общие принципы, которые позволили нам не только понять животное, но и улучшить робота».Детальное исследование показало, что как горизонтальное, так и вертикальное движение нужно было понять и затем воспроизвести на змееподобном роботе, чтобы его можно было использовать на наклонном песке.«Думайте о движении как о эллиптическом цилиндре, окруженном вращающейся гусеницей, похожей на гусеницу танка», — сказал Хауи Чозет, профессор робототехники Карнеги-Меллона. «По мере того, как протектор вращается вокруг цилиндра, он постоянно опускается перед направлением движения и поднимается сзади.
Змея поднимает одни сегменты тела, в то время как другие остаются на земле, и по мере увеличения наклона поперечное сечение цилиндра становится плоским ».В зоопарке Атланты исследователи наблюдали за несколькими космонавтами, когда они двигались в большом вольере с песком из пустыни Аризоны, где обитают змеи. Ограждение можно было поднять, чтобы создать разные углы на песке, а воздух можно было вдувать в камеру снизу, сглаживая песок после изучения каждой змеи. Движение змей было записано с помощью высокоскоростных видеокамер, которые помогли исследователям понять, как животные двигали своим телом.
«Мы поняли, что змеи сайдвиндер используют шаблон для лазания по песку, две ортогональные волны, которыми они могут управлять независимо», — сказал Хамид Марви, научный сотрудник Карнеги-Меллона, который проводил эксперименты, когда был аспирантом в лаборатории Дэвида. Ху, доцент Школы машиностроения Технологического института Джорджии. «Мы использовали робота-змею для систематического изучения режимов отказа в боковом движении.
Мы узнали, что существует три различных режима отказа, которых мы можем избежать, тщательно отрегулировав соотношение сторон двух волн, таким образом контролируя область тела, контактирующую с песок."Безногие животные, такие как змеи, могут легко перемещаться по широкому кругу поверхностей, что делает их привлекательными для разработчиков роботов.«Змея — одно из самых универсальных наземных животных, и мы хотим запечатлеть, на что они способны», — сказал Росс Хаттон, доцент кафедры машиностроения в Университете штата Орегон, изучавший математические сложности движения змеи, и как их можно применить к роботам. «Боковой ветер в пустыне действительно необычен, с, пожалуй, самым быстрым и эффективным естественным движением змеи, которое мы когда-либо наблюдали».Многие люди не любят змей, но в этом исследовании ядовитые животные были легкими объектами изучения, которые предоставили знания, которые однажды могут принести пользу людям, — отметил Джо Мендельсон, директор по исследованиям в зоопарке Атланты.
«Если робот застревает в песке, это проблема, особенно если этот песок находится на другой планете», — сказал он. «Боковые змеи никогда не застревают в песке, поэтому они помогают нам создавать роботов, которые могут не застревать в песке. Эти ядовитые змеи что-то предлагают человечеству».Модульный робот-змея, использованный в этом исследовании, был специально разработан для пропускания горизонтальных и вертикальных волн через свое тело для перемещения в трехмерном пространстве.
Диаметр робота составляет два дюйма, а длина — 37 дюймов; его тело состоит из 16 суставов, каждый из которых расположен перпендикулярно предыдущему. Это позволяет ему принимать различные конфигурации и двигаться, используя различные походки, некоторые из которых похожи на походки биологической змеи.«Этот тип роботов часто описывается как биологически вдохновленный, но слишком часто вдохновение не выходит за рамки случайного наблюдения за биологической системой», — сказал Чозет. «В этом исследовании мы заставили биологию и робототехнику, опосредованные физикой, работать вместе, чего раньше не видели».
Роботы Choset, похоже, хорошо подходят для городских поисково-спасательных операций, в которых роботам нужно пробираться через завалы разрушенных построек, а также для археологических исследований. Роботы, способные легко перемещаться по трубам, также прошли испытания, чтобы оценить их потенциал для проверки атомных электростанций изнутри.Для команды Голдмана работа основана на более ранних исследованиях, изучающих, как детеныши черепах, крабы, ящерицы-песчаники и другие животные передвигаются по сложным поверхностям, таким как песок, листья и рыхлый материал.
Команда проверяет то, что она узнает от животных, на роботах, часто получая дополнительные сведения о том, как движутся животные.«Нас интересует, как животные перемещаются по различным типам гранулированных и сложных поверхностей», — сказал Голдман. «Идея передвижения по текучим материалам, таким как песок, может быть полезна в широком смысле. Это один из лучших примеров сотрудничества между биологией и робототехникой».В дополнение к уже упомянутым, соавторами были Чаохуэй Гонг и Мэтью Траверс из Университета Карнеги-Меллона; и Ник Грэвиш и Генри Эстли из Технологического института Джорджии.
Это исследование было поддержано Национальным научным фондом грантами CMMI-1000389, PHY-0848894, PHY-1205878 и PHY-1150760; Исследовательским управлением армии США по грантам W911NF-11-1-0514 и W911NF1310092; и Армейской исследовательской лабораторией MAST CTA в рамках гранта W911NF-08-2-0004; и фондом Элизабет Смитгалл Уоттс Технологического института Джорджии.