Инженеры из Школы инженерии Тандон Нью-Йоркского университета разработали необычного робота WorMa, способного передвигаться по пересечённой местности, взбираться по склонам, преодолевать ступени и плавать. Его главный секрет — не сложная система конечностей или дополнительные двигатели, а умение перераспределять собственный вес с помощью обычной воды.
Разработка может оказаться полезной для обследования береговых линий, прибрежных зон и других участков, где роботам приходится постоянно переходить с твёрдой поверхности в воду и обратно. Такие условия представляют серьёзную проблему даже для многих современных мобильных машин.
Как устроен робот WorMa
Название WorMa образовано от английских слов worm («червь») и mass («масса»). Внешне устройство напоминает крупного сегментированного червя. Его длина составляет около 50 см, а масса немного превышает 1 кг.
Корпус состоит из пяти соединённых между собой сегментов и четырёх подвижных сочленений. Однако самая интересная особенность конструкции скрыта внутри.
Примерно треть массы робота приходится на воду, находящуюся в двух латексных резервуарах — в головной и хвостовой частях. Насос, расположенный в центральном сегменте, перекачивает около 300 г воды между этими ёмкостями.
Благодаря этому WorMa способен смещать центр тяжести вперёд или назад, приспосабливаясь к условиям движения. При этом ему не нужно менять основной принцип передвижения или оснащать себя дополнительными конечностями.
Такой подход относится к биомиметике — направлению инженерии, в котором технические решения заимствуют у природы. Правда, вместо подражания конкретным движениям живого червя разработчики использовали более универсальный физический принцип: изменение распределения массы влияет на устойчивость, сцепление с поверхностью и плавучесть машины.
Как WorMa преодолевает препятствия
Один механизм — разные режимы движения.
Подъём по склону. Когда роботу необходимо двигаться вверх по наклонной поверхности, насос перекачивает воду в головной резервуар. Передняя часть становится тяжелее, сильнее прижимается к поверхности и получает лучшее сцепление. Благодаря этому WorMa способен преодолевать уклоны до 19,5°.
Плавание. В воде стратегия меняется на противоположную: вода перемещается к хвосту. Смещение массы назад помогает роботу плыть примерно на 26% быстрее, чем при исходном распределении веса. Кроме того, согласно данным исследователей, такой режим повышает эффективность плавания на 52%.
Выход на берег. Чтобы выбраться из воды на наклонную поверхность, робот снова перемещает воду вперёд. Увеличенная нагрузка на головную часть помогает ей зацепиться за берег, после чего машина может подтянуть остальную часть корпуса.
Таким образом, WorMa не просто передвигается по разным средам — он меняет собственную конфигурацию массы в зависимости от задачи. Это позволяет одной и той же конструкции работать там, где обычному колёсному роботу потребовались бы специальные механизмы для преодоления препятствий.
Как робот поднимается по ступеням
Ступени оказались более сложным испытанием, чем обычные склоны. Чтобы преодолеть вертикальное препятствие, роботу недостаточно просто увеличить сцепление с поверхностью: ему нужно последовательно приподнимать переднюю часть, закрепляться на краю ступени и подтягивать хвост.
Исследователи решили эту задачу с помощью циклического перераспределения воды.
Сначала вода поступает вперёд, увеличивая сцепление головной части с препятствием. Затем масса смещается назад, что облегчает подъём головы и её перемещение к следующей ступени. Когда передняя часть и шейное сочленение закрепляются на краю, вода снова перекачивается вперёд. Теперь робот может подтянуть хвостовую часть наверх.
После этого цикл повторяется.
В ходе испытаний WorMa смог преодолевать ступени высотой до 15 см. Для устройства длиной всего полметра это существенная возможность, особенно с учётом того, что его конструкция изначально рассчитана на движение как по суше, так и по воде.
Для чего нужен робот-червь
Одно из перспективных направлений применения WorMa — обследование береговых линий. Здесь роботу приходится иметь дело с камнями, неровностями, наклонными участками и водой, причём переходы между ними могут происходить буквально на протяжении нескольких метров.
Подобные машины потенциально пригодятся для экологического мониторинга, осмотра прибрежной инфраструктуры и исследования труднодоступных участков. В дальнейшем подобный принцип можно будет использовать и в других роботизированных системах, которым необходимо менять устойчивость и сцепление без установки дополнительных приводов.
Впрочем, до полностью самостоятельной работы WorMa пока далеко.
Сейчас устройство не оснащено датчиками, которые позволяли бы ему самостоятельно распознавать тип поверхности и определять, когда следует переместить воду вперёд или назад. Этим процессом управляют извне. Кроме того, исследователи работают над увеличением скорости насоса, чтобы робот мог быстрее приспосабливаться к меняющимся условиям.
В перспективе разработчики хотят научить WorMa самостоятельно определять окружающую обстановку и выбирать подходящее распределение массы. Это позволит ему принимать решения непосредственно во время движения, без постоянного внешнего управления.
Результаты исследования опубликованы в научном журнале Advanced Robotics Research.
