Зачем нам нужны мягкие роботы и когда они появятся

Многие успели заметить, как далеко шагнула робототехника. Они стали незаменимыми помощниками в промышленности, медицине, обслуживании и быту. Однако вместе с прогрессом робототехники возникают и новые вопросы. Сложно представить большого металлического робота-помощника, который осторожно будет выполнять свои функции. В силу своей громоздкости они иногда даже способны непреднамеренно навредить. Поэтому исследователи движутся к новым парадигмам для автономных машин.
Вместо того, чтобы делать роботов из металла, они хотят создавать их из мягких податливых материалов, таких как силикон, винил и нейлоновая ткань, чтобы более безопасно работать бок о бок с людьми. Некоторые прототипы машин могут выполнять логические действия без какой-либо электроники, и они все еще могут работать после погружения в воду или даже переезда грузовиком.

Виртуальные роботы часто используются для тестирования алгоритмов и программного обеспечения перед физической реализацией. Это позволяет сэкономить время и ресурсы на создание и тестирование физических прототипов.

Роботы в нашей жизни

Сегодня роботы уже широко используются в промышленности для автоматизации производственных процессов. Они способны выполнять сложные и рутинные задачи с высокой точностью и эффективностью, что приводит к повышению производительности и снижению затрат. Промышленные роботы могут выполнять монотонные операции, связанные с поднятием и перемещением тяжелых предметов, сваркой, сортировкой и упаковкой товаров, а также выполнением опасных задач в радиационных или химических средах.


Роботы также находят применение в автомобильной промышленности. Они могут выполнять опасные или монотонные задачи на производственных линиях, что повышает безопасность и эффективность процесса.

В медицине роботы также имеют большой потенциал. Они могут быть использованы для проведения сложных операций, обеспечивая более точное и менее инвазивное вмешательство. Роботизированные хирургические системы уже успешно применяются в таких областях, как кардиохирургия и нейрохирургия. Благодаря точности и стабильности роботов, операции могут быть более безопасными, а пациенты восстанавливаются быстрее. Кроме того, они используются в реабилитации, помогая людям восстановить двигательные навыки после травмы или инсульта.
Однако роботы находят свое применение не только в промышленности и медицине. В бытовой сфере они все больше вступают в нашу жизнь. Умные роботы-помощники уже могут выполнять рутинные задачи и в домашней среде, такие как уборка и готовка.
Робототехника также играет значительную роль в научных исследованиях и исследовании космоса. Роботы-исследователи используются для исследования мест, недоступных для человека, таких как дно океана, поверхность Марса или глубины космоса. Они собирают данные, делают открытия и помогают нам расширить границы нашего понимания окружающего мира.

Мягкая робототехника и ее значение

Эта область, известная как мягкая робототехника, опирается на многие дисциплины, такие как материаловедение, биология, информатика и даже традиционные ремесла. Физикам есть где поиграться, начиная с разработки принципов проектирования и заканчивая созданием машин.
Одной из основных причин развития мягкой робототехники является стремление создать роботов, способных оперировать в сложных и непредсказуемых средах, где жесткие материалы могут оказаться неэффективными или опасными.


Робототехника тесно связана с многими другими областями науки, включая биологию, физику, математику и психологию. Это связано с тем, что разработка роботов требует понимания принципов движения, восприятия окружающей среды и взаимодействия с людьми.

Некоторые ученые даже предлагают использовать технику оригами для построения роботов, поскольку это в значительной степени повысит их универсальность, а также позволит создавать машины с использованием более мягких материалов. Пользуясь таким способом становится возможно изменение формы материала. Как только меняется форма, сразу меняется и функция, жесткость и степень, на которую они сгибаются в плоскости и выходят из нее.
Интересно и то, что одной из основных технологий, используемых в мягкой робототехнике, является пневматический привод. Эти системы позволяют создавать гибкие системы, используя воздушное давление для управления деформацией материала. Такие роботы обычно состоят из гибких камер или пузырей, которые могут быть заполнены или опустошены для изменения формы. Контролируя последовательность заполнения и опустошения камер, возможно достичь требуемых движений и манипуляций.
Однако тут же возникают и сложности – необходимо подобрать материал, который способен поддерживать устойчивость и при этом совмещать в себе контроллеры для управления.

Жидкостные роботы и их перспективы

Интересно отметить, что ученые все больше переходят к разработке машин, основанных на принципах жидкостной механики вместо электроники. Например, в некоторых роботах жидкость заполняет трубки, создавая определенное давление, которое в свою очередь открывает клапаны и обеспечивает движение робота.
С точки зрения теории, жидкости ведут себя аналогично потоку электронов в электронных системах. В жидкостных роботах поток жидкости или газа заменяет поток электронов, а давление выполняет функцию напряжения. «Если рассмотреть уравнения, описывающие электронные и жидкостные сети, они будут выглядеть одинаково», — говорит Энн Меуссен, исследователь в области теоретической физики Гарвардского университета. «Различия становятся заметны, когда речь заходит о применении». Например, жидкостные роботы проще спроектировать таким образом, чтобы они были водонепроницаемыми или устойчивыми к радиации, но электроника работает гораздо быстрее, чем машины на основе жидкостных приводов.



Развитие автономных боевых роботов вызывает беспокойство в отношении возможности использования таких систем в военных конфликтах. Несмотря на существующие международные соглашения, использование таких технологий вооружений может привести к непредсказуемым последствиям и чрезмерной власти.

С каждым годом роботы начинают все больше походить на людей. И даже проводить свои ритуалы.
Некоторые исследователи создали прототипы роботов с жидкостным приводом, включая группу, которая использовала углекислый газ, чтобы поднять капюшон на толстовке. Правда эти проекты, как правило, основывались на принципах электроники, включая использование последовательно соединенных модулей для выполнения задач.
Однако команда Меуссен экспериментирует с новой стратегией проектирования. Вместо сборки робота поэтапно, подобно тому, как это делается в электронике, они начинают с моделирования случайной сети жидкостных трубок. Затем они используют алгоритмы машинного обучения, чтобы задать задачу удаления трубок до тех пор, пока сеть не достигнет целевого состояния, например, перемещения объекта. Этот процесс напоминает лепку, так как требует удаления ненужных деталей из системы, а не ее постепенной сборки, как конструктор Lego.
Таким образом, команда разработала моделированную жидкостную сеть, созданную с использованием этой стратегии, которая «обучилась» классифицировать три разных вида ирисов. Свойства каждого цветка, такие как длина лепестка, были закодированы в давление жидкости, подаваемой в сеть. Каждый вид ириса соответствовал определенному выходному давлению. Сеть научилась определять, какие трубки нужно удалить, чтобы достичь нужного выходного давления и правильно классифицировать виды с точностью 96,7%.
Исследователи в настоящее время сотрудничают с инженерами-механиками и робототехниками для создания физического прототипа роботизированной руки с гидравлическим приводом на основе этих многообещающих симуляций.