Как робототехника может взять пример с природы

Роботы и робототехника прошли долгий путь от источника развлечения для писателей-фантастов до инструмента развития человеческого общества. 

Ожидается, что в период с 2016 по 2028 год мировой рынок робототехники вырастет почти с от 23 до более чем 45 миллиардов долларов США. На момент своего зарождения робототехника задумывалась как нечто, что останется ограниченным промышленными пространствами. 

Напротив, более половины рынка робототехники сейчас занимает сервисная робототехника. В наши дни роботы находят широкое применение в автомобильной промышленности, химической промышленности, электротехнической и электронной промышленности, пищевой промышленности, медицинской промышленности и т. д. В более инновационном плане поставщики робототехники обеспечивают ее использование в более традиционных областях, таких как сельское хозяйство, домашний труд и развлечения. 

Хотя это правда, что роль робототехники изменила многие традиционные области, может ли она чему-то научиться у окружающего нас мира? Сегодня мы внимательно рассмотрим сценарии, в которых робототехника может брать пример с природы. 

Как биоинспирированная робототехника может обогатиться за счет жуков-вертух

Жуки-вертушки, известные как самые быстроплавающие насекомые в мире, могут развивать ускорение 100 метров в секунду и максимальную скорость 100 длин тела в секунду, или, если быть точным, 1 метр в секунду. Но как они достигают такой скорости и ускорения?

Их летная стратегия была изучено исследователями и опубликовано в журнале Current Biology. Исследование носило название «Жук-вертушка использует тягу, основанную на подъеме, для самого быстрого плавания насекомых». 

В исследовании использовались две высокоскоростные камеры, синхронизированные под разными углами. Результатом стало видео, в котором подробно описан механизм полета: подъемная тяга. Он работал аналогично гребному винту, при этом толкающее движение происходило перпендикулярно поверхности воды. Этот механизм помогает устранить сопротивление и придает больший импульс для большей скорости. 

Почему это открытие важно? Хотя это правда, что тяга, основанная на подъемной силе, уже была обнаружена у крупномасштабных организмов, это исследование показывает, что это явление применимо к масштабу длины всего в 1 сантиметр. 

По словам Криса Ро, доцента кафедры биологической и экологической инженерии в Колледже сельского хозяйства и наук о жизни, это открытие призывает биоинспирированных робототехников и другие инженерные сообщества сначала определить правильную физику, а затем попытаться сохранить эту физику при создании робототехники. . 

В частности, Ро считает, что это явление может найти применение при разработке беспилотных роботизированных кораблей, которые могут быть намного меньшими и более гибкими за счет использования силовых механизмов вертушек, создающих подъемную силу. Соединенные Штаты находятся в процессе разработки таких лодок, которые будут свободны от ограничений, связанных с гостеприимством экипажа. 

Это исследование побуждает нас взглянуть на робототехнику в новом свете. Всегда можно взять сигналы природы и перепроектировать их в человеко-механические конструкции. Мы нашли еще несколько примеров такой синергии между природой/человеком и машиной. 

Робот, вдохновленный осьминогом, был провозглашен будущим мягкой робототехники

Созданный в 2016 году Сесилией Ласки, профессором Института биоробототехники Сант-Анна, Пиза, Италия, Робот, вдохновленный осьминогом был чрезвычайно гибким и мог реагировать на окружающую среду с гораздо большей чувствительностью и точностью, чем большинство других мягких роботов, разработанных до того времени. По словам Ласки:

«Эта относительно новая область исследований может перевернуть наши представления о том, на что способны роботы и где они могут быть полезны».

Робот, которому требовалось гораздо меньше вычислительной мощности и который гораздо лучше передвигался по пересеченной местности, мог всасывать жидкость, а затем выбрасывать ее из своего тела. Он мог передвигаться по бурному морскому дну, используя все свои восемь ног. 

Робот был построен из электроактивных полимеров, которые деформировались под воздействием электричества. Робот прошел успешные испытания в Средиземноморье в начале 2016 года. Его разработка помогла область мягкой робототехники с тех пор добились гораздо большего прогресса. 

В одном случае, в 2017 г. Гарвардский университет придумал Октобота, мягкий робот, все механические компоненты которого заменены на аналогичные мягкие системы. Он был напечатан на 3D-принтере и имел вставленные каналы, обеспечивающие управление питанием и движением и приводимый в движение газовой пневматикой. 

Помимо разработок, вдохновленных осьминогами, биоинспирированная робототехника также имитировала других животных. Например, инженеры Федеральной политехнической школы Лозанны разработали робота, имитирующего движения саламандры. 

Другая группа исследователей черпала вдохновение у змей. Благодаря своей способности преодолевать сложную и запутанную местность, эти роботы могут оказаться полезными в освоении космоса. 

Плеуробот и змеебот: робототехника, сделавшая возможными сложные движения

Команда  Pleurobot черпает вдохновение из движения Саламандры. У него есть уникальное позвоночное животное, которое помогает роботу скользить в воде и выходить из нее. Имеет 11 сегментов позвоночника. С точки зрения видения, разработка робота была направлена ​​на повторное стимулирование работы спинного мозга человека, а также того, как мозг с ним взаимодействует. 

Имитация движений саламандры с помощью робота стала решающим прорывом, поскольку саламандры могут переходить от ползания к ходьбе и плаванию, выполняя одно и то же движение. Меняется только скорость. Такие инновации могут оказаться преобразующими и революционными, когда они будут реализованы в машинах и роботах. 

С другой стороны, Snakebot был детищем группы исследователей из Университета Карнеги-Меллон. Они стремились разработать робота, который имитировал бы движения змеи, ползая по труднопроходимой местности, сквозь завалы и препятствия. Робот имел длину 37 дюймов, диаметр 2 дюйма и имел 16 суставов. По последним данным, НАСА использовало этих роботов в своих проектах по исследованию космоса. 

Благодаря этим и многим другим разработкам роботы, которые берут пример с природы, также известные как био-робототехника, стали большими. Массачусетский технологический институт, одно из самых почитаемых и почитаемых в мире учебных заведений по инженерному делу, имеет курс биоинспирированной робототехники в составе своего машиностроительного факультета. 

Курс направлен на поощрение «междисциплинарного подхода к биодизайну с упором на извлечение принципов, применимых к различным областям исследований в области робототехники, таким как робототехника, протезирование и вспомогательные технологии для человека».

В этом заинтересованы не только крупные учреждения, но и крупные технологические компании с большим энтузиазмом участвуют в биоробототехнике. Например, компания Boston Dynamics, приобретенная Hyundai в 2021 году при оценке сделки в 1.1 миллиарда долларов США, разработала робота, который копирует собаку для выполнения многих сложных задач. Четвероногую машину назвали Спот. 

1. Ролик Boston Dynamics: четвероногий робот, копирующий собаку

Разработан как желтая собака без головы, Спот, автор Бостонская динамика, мог подниматься в гору и перемещаться по лестнице. Устройство обошлось в 74,500 XNUMX долларов США. Он служил многим целям: от осмотра заводов, строительных площадок и опасных сред до возможности подниматься по лестнице и даже перемещаться по ней. 

Теперь точка способна работать круглосуточно и без вмешательства пользователя. Он может заряжаться автономно и динамически перепланировать движение, преодолевая новые препятствия. По официальным даннымНа сегодняшний день спотовые роботы охватили более 1,000 клиентов. 

Spot обслуживает ряд отраслей, включая производство, энергетику и природные ресурсы, строительство, научные круги и образование, а также правительство. 

После Хюндай закрыл сделку чтобы поглотить Boston Dynamics, ей принадлежало 80 процентов акций компании. SoftBank через одно из своих дочерних предприятий контролировал оставшиеся 20 процентов. 

Hyundai опубликовала консолидированный отчет финансовая отчетность за 2022 год по состоянию на 21 марта 2023 года. В 6,126,969 году компания заработала 2022 3,782,498 2021 миллионов корейских вон, что значительно больше, чем 2022 7,207 XNUMX миллионов корейских вон, заработанных в XNUMX году. Дивиденды, выплаченные в XNUMX году, составили XNUMX XNUMX миллионов. 

2. Приобретение компанией ABB компании SevenSense: прорыв в разработке роботов, вдохновленных природой.

РИС, еще один глобальный приверженец робототехники, недавно приобретенный Sevensense, швейцарский стартап которая специализируется на повышении мобильности промышленных роботов. В частности, SevenSense разрабатывает и производит роботизированные системы с датчиками и искусственным интеллектом, которые обладают функциями глаз и мозга, позволяющими маневрировать вокруг растений и перемещаться по всему заводскому пространству. 

Решения не будут ограничиваться поставляемыми производственными линиями, которые обычно используют фиксированные магнитные полосы. Эти роботы могут перемещать 2 тонны материалов со скоростью 1.5 метра в секунду. Они оснащены шестью камерами. По словам Сами Атия, руководителя отдела робототехники и дискретной автоматизации ABB: 

«При старой системе, когда вам нужно было изменить производственную линию длиной 100 метров, например, добавив новую производственную ячейку, было невозможно перенаправить робота. Теперь мы можем сделать это легко».

Согласно его последнему доступный финансовый отчетГодовой доход ABB составил 29.4 доллара США. млрд долларов США в 2022 году по сравнению с 28.9 млрд долларов США в 2021 году.

3. Мотобот Yamaha, вдохновленный человеком-гонщиком

Не только морские животные и наши четвероногие друзья, но и роботы понимают сигналы нас, людей. Уникальный проект Yamaha, МотоботЦелью компании является создание идеального робота-гуманоида, способного управлять немодифицированным транспортным средством для автономного использования. Motobot может автономно управлять транспортным средством, получая данные о скорости автомобиля, оборотах двигателя, положении машины и других параметрах. 

Yamaha В будущем планирует расширить возможности Motobot с помощью высокоточного GPS, датчиков и т. д., чтобы он мог распознавать положение машины и более разумно принимать решения о том, как лучше всего обходить гоночную трассу и ограничивать возможности мотоцикла. 

Для разработки Motobot компания Yamaha заключила партнерское соглашение с SRI International, ведущим мировым исследовательским институтом. Идея состоит в том, чтобы черпать вдохновение и знания из базовых технологий, используемых при разработке MOTOBOT, таких как управление роботами и создание человеко-машинного интерфейса. 

Согласно последнему доступному годовому отчету за 2022 финансовый год, доход Yamaha составил более 408 миллиардов японских иен в году с основной операционной прибылью в 43 миллиарда японских иен. 

Список бесконечных разработок

За наш ограниченный промежуток времени мы могли бы обсудить несколько меняющих правила игры случаев, когда робототехника черпала вдохновение из природы. Однако обзор имеющихся научных публикаций показывает, что это была лишь верхушка айсберга. Робототехника как поток исследований, разработок и приложений в значительной степени опирается на природу и будет продолжать это делать. 

Например, роботизированные дроны во многом вдохновлены птицами. Птицы не только с точки зрения летательного механизма вдохновляют дроны эффективно летать в плохую погоду и при сильном ветре. 

Ныряющие птицы привели к созданию Водный микровоздушный транспорт (AquaMAV) в Лаборатории воздушной робототехники Имперского колледжа Лондона. Эти AquaMAV могут нырять в воду на высоких скоростях, всплывать и выбрасывать воду через струю. Эти решения находят применение в ряде случаев, включая сбор проб воды для проведения спасательных операций или разведку под водой.

Бабочки вдохновили микроботов на создание особого типа крыльев, которое могло бы помочь им летать дальше и избегать несчастных случаев. 

Boston Dynamics, одна из компаний, о которых мы уже говорили, имеет еще одного робота под названием Atlas. разумный двуногий гуманоид. 

Джессико — подводный робот, который перемещается по воде с помощью плавников. DelFly Micro — это робот с машущими крыльями весом 3.07 грамма, который, как следует из названия, вдохновлен мухой. Мир также стал свидетелем появления напечатанных на 3D-принтере мягких четвероногих роботов, вдохновленных черепахами. 

В природе существуют миллионы животных и насекомых. Эволюционные возможности этих животных и насекомых заставляют их совершать удивительные вещи. Люди не являются исключением. Изучение того, как работают эти тела, откроет много возможностей для роботов. 

Многие задачи, требующие от людей поездок в опасные места, могут быть выполнены с помощью этих роботов. Эти роботы могут не только выполнять эти задачи, но и выполнять их с большей скоростью и эффективностью, с большей утонченностью и точностью. Это может помочь выполнить множество повторяющихся задач, чтобы освободить человеческому мозгу больше времени для того, что он делает лучше всего: генерировать идеи и создавать новые вещи для продвижения цивилизации вперед. 

Нажмите здесь, чтобы просмотреть список десяти лучших компаний, занимающихся робототехникой.