Слушать новости
Телеграм: @gazetaru
Мак замедляет шаг

Создан робот для передвижения по песку

,
Специальный робот, созданный для движения по песку, помог разобраться в сложнейшей физике этого процесса. Скопированный с тараканов и ящериц SandBot идёт по маковым зёрнам всего вдвое медленнее, чем по твёрдой поверхности. Но на его примере учёные выяснили, как оптимальная скорость движения зависит от того, насколько грунт рыхлый.

Жители прибрежных городов любят совершать утренние пробежки по пляжам не только из эстетических соображений, но и для дополнительной нагрузки. Бежать здесь куда сложнее – если, конечно, не хитрить, выбирая плотный мокрый песок, с которого только что сбежала волна. Колёсные автомобили, даже внедорожники или так популярные на дыбящихся дюнах квадроциклы тоже не всегда справляются с песком, иной раз по самые оси увязая в рыхлом грунте.

Разнообразным роботам в этом плане не легче. А деваться некуда, если, к примеру, ты марсоход и сел не на мёрзлой земле у полюса, как твой неподвижный брат Phoenix, а где-нибудь в районе экватора, на засыпанных мелким рыжим песком равнинах. Вот и приходится тем же Spirit'у и Opportunity, как приходилось когда-то «Луноходам», двигаться черепашьим шагом. У гордости американской марсианской программы крейсерская скорость – 2 см/с (72 метра в час), да и максимальная немногим больше. Они могли бы попробовать ехать быстрее, только велика вероятность увязнуть. И как найти баланс между «быстрее» и «надёжнее», никто не знает.

Учёные под руководством Дэниела Голдмана из Северо-Западного университета в американском Иллинойсе создали робота Sandbot, способного быстро передвигаться по песку.

И после года экспериментов с этим «полушагающим» роботом представили на страницах Proceedings of the National Academy of Sciences подробное описание – как устройство движется, и как движется сыпучий материал, по которому он идёт. В этих наблюдениях много пищи для умов разработчиков будущих луно-, марсо- и, скажем, титаноходов – равно как и земных роботов, предназначенных для работы в пустынях или на снегу.

Тараканьей походкой

Назвать SandBot шагающим роботом всё-таки нельзя. Хотя он попеременно поднимает то одну, то другую тройку своих «лап», они всё-таки жёстко закреплены на шести осях с индивидуальным приводом к каждой. Сами «лапы» напоминают гигантские запятые – это С-образные дуги круга, которые, однако, вращаются не вокруг своего центра кривизны, а вокруг «набалдашника» на верхнем кончике контура буквы «С» – так, как вы бы её написали чернилами. Собственно, это колёса-эксцентрики, только лишний материал на них, который всё равно бы никогда не касался земли при нормальном ходе, удалён. Разработчики гордо заявляют, что SandBot – самый лёгкий из роботов своего класса, при длине около 30 см он весит всего 2,3 кг.

Походку для своего робота учёные подсмотрели у тараканов и ящериц.

У первых SandBot перенял «триногохождение». В любой момент времени робот опирается на три «лапы» – скажем, переднюю и заднюю с левой стороны тела и среднюю — с правой. С поворотом колёс стороны меняются местами: благодаря эксцентрическому положению центра вращения дуги стоявшие дуги поднимаются, а висевшие в воздухе опускаются, и теперь справа оказывается две опоры, а слева одна. Треножник, как известно минимум со времён Евклида, – устойчивая конструкция, так что робот постоянно уверенно стоит на ногах.

Из-за того же эксцентрического положения скорость вращения колёс приходится менять, чтобы к отрыву одной тройки лап от поверхности другие три успели на неё опуститься. Поэтому колёса вращаются чуть быстрее, пока в воздухе, и чуть медленнее – пока стоят на земле. Примерно так ведут себя и пустынные ящерицы.

На твёрдой поверхности робот достигает скорости 60 см/с. Однако здесь ничего революционного учёные не предложили – по сути, SandBot едет на колёсах, просто их тройки постоянно меняются, а робот переваливается из стороны в сторону. По-настоящему интересные вещи начинаются, когда аппарат выезжает на песок. Здесь учёным удалось достичь скорости в 30 см/c – всего вдвое меньше, чем на твёрдой земле.


Куча мака

Движение по сыпучим поверхностям теоретически изучать невероятно сложно, поскольку песок, к примеру, может вести себя и как твёрдые тела, и как жидкость, притом вполне себе сжимаемая. Поэтому основной прогресс в этой области техники идёт из подробных наблюдений за реальными устройствами. Кстати, жидкости при детальном рассмотрении на молекулярном уровне напоминают тот же песок, так что исследования пескоходящих роботов могут пригодиться в будущем и создателям всевозможных наноботов, которым придётся двигаться по разного рода поверхностям.

У Голдмана и его коллег в качестве арены выступал плексигласовый ящик 2,5 м на 0,5 м, на глубину 20 см засыпанный маковыми зёрнышками. Между прочим, четверть кубометра, или пара центнеров кондитерского мака. В таком количестве маленьких чёрных зёрен одного только морфина будет с полстакана; как Голдман и его коллеги использовали весь этот мак после экспериментов, в статье не сообщается. Мак покоился на пористом пластике, через который можно продувать воздух с заданной скоростью. Так учёные контролировали так называемый «фактор заполнения» – долю объёма, занятого самими зёрнами (остальное – воздух). Фактор заполнения φ учёные варьировали в интервале, характерном для сухого песка – от примерно 0,58 до 0,64.

Шагать и плавать

Соотношение фактора заполнения и скорости вращения колёс оказалось ключевым в определении скорости движения SandBot'а. Стоит лишь чуть-чуть разрыхлить зёрна, уменьшив фактор заполнения с 0,62 до 0,61, и скорость движения падает в десятки раз. И точно так же для каждого значения φ существует своя предельная скорость, которая тем меньше, чем рыхлее песок: превысь её лишь на процент, и робот практически встанет, переключаясь из режима «хождения» в режим «плавания».

В режиме «хождения» у SandBot'а есть очень важное преимущество перед обычными автомобилями. Благодаря переменной скорости вращения колёс каждая из лап входит в маковый песок относительно медленно и успевает чуть-чуть примять его, прежде чем продолжить движение в образовавшейся ямке. При этом он опирается на одну конкретную точку своей дугообразной лапы – по сути, получается настоящий шаг. Обычные машины с неэксцентричными колёсами на такое неспособны.

А вот переход в режим «плавания» происходит за счёт того, что лапы начинают проскальзывать относительно поверхности и неподвижная точка опоры на лапе так и не возникает. Здесь даже центр вращения лапы смещается из точки её крепления к оси в геометрический центр круга, дугу которого она описывает. И вот это уже никакого преимущества перед обычными машинами нет – SandBot буксует.


На пыльных тропинках

Учёные надеются, что ясная физическая картина происходящего при переходе из одного режима в другой поможет разработать роботов, которые не будут вязнуть в песке. Возможно, будущие марсоходы будут оснащены специальными сенсорами, которые на каждом новом участке песчаной поверхности будут определять фактор заполнения, и на основании этой информации будут выбирать оптимальную скорость – чуть медленнее предела, за которым следует переход в «плавающий» режим.

Правда, пока полноценной теории переключения режима нет, зависимость предельной скорости от свойств песка придётся калибровать индивидуально для каждого нового аппарата. Будем надеяться, что к моменту создания нового поколения марсоходов такая теория будет создана.