Разработан подводный захват, повторяющий строение щупальцев осьминога

Новости МирТесен

При выполнении подводных работ, будь то сбор пластикового мусора, добыча полезных ископаемых или исследование донных экосистем, требуются захваты, сочетающие в себе деликатность и высокую прочность. Обычные захваты недостаточно гибки, а мягкие конструкции не способны удерживать значительные массы. Международная группа ученых во главе с профессором Се Гуанмином из Пекинского университета разработала решение, вдохновленное осьминогами, которое позволяет избежать этого компромисса и обеспечивает самую быструю смену жесткости на сегодняшний день.

Новое устройство под названием Octopus-Inspired Upward Transport Robot (OUT-Robot) воспроизводит многоканальную стратегию захвата, характерную для осьминогов. Ключевым элементом устройства является специально созданная «рука» с регулируемой жесткостью, в основе которой лежит полимер с памятью формы (ППФ) – полимолочная кислота (ПМК) – в сочетании с трехслойным тепловым интерфейсом. По словам профессора Се, «мы добились термодинамического взаимодействия между материалом, его формой и окружающей водной средой». Внутренний слой из силикона обеспечивает равномерное распределение тепла, внешний слой выполняет функцию временной преграды при нагревании, а вода вокруг служит активным средством для отвода тепла при охлаждении».

Разработанная схема отличается высокой скоростью работы: она захватывает детали всего за 1,3 секунды при подаче питания и фиксирует их за 0,8 секунды после отключения нагрева. Для охлаждения аналогичным образом обычно требуются десятки секунд.

Основное усовершенствование заключается в использовании комбинированной технологии, сочетающей элементы мягкой и жесткой механики. В процессе захвата манипуляторы сохраняют гибкость, обеспечивая плотное прилегание встроенных вакуумных присосок к поверхностям сложной формы. После фиксации объекта манипуляторы быстро охлаждаются, фиксируя его положение и позволяя удерживать тяжелые грузы без необходимости постоянного энергоснабжения.

Экспериментальные данные свидетельствуют о существенном повышении эффективности. Рука, оснащенная усиленным пневматическим приводом гибкой формы (ППФ), обладает жесткостью, которая в 25 раз выше, чем у руки без такого привода. Функция «шестирукого захвата» позволяет достичь общей силы удержания, превышающей 4 ньютона (что эквивалентно более чем 400 граммам). Режим вакуумного захвата также расширяет функциональные возможности, увеличивая силу начального сцепления в 2,2 раза по сравнению с предыдущими моделями.

Для демонстрации полезности устройства в реальных условиях, команда провела испытания в бассейне глубиной 2 метра, имитирующем донный рельеф с камнями, рыболовными сетями, пластиковыми бутылками, трепангами, морскими гребешками, хрупкой посудой, алюминиевым профилем и бутылкой весом 500 граммов. Устройство без труда переходило между режимами, убирая легкую рыболовную сеть (весом менее 1 грамма), аккуратно собирая деликатные биологические образцы и поднимая тяжелую бутылку. «Разработанный робот способен манипулировать разнообразными объектами — от легких обломков до тяжелых твердых отходов весом свыше 500 граммов — и выполнять все задачи одновременно», — отмечает Се.

OUT-Robot сочетает в себе активный контроль плавучести и манипулирование. После захвата объекта и фиксации робот надувает свой мягкий корпус, чтобы увеличить плавучесть, и поднимается вверх, пассивно поднимая объект на поверхность. «Фаза захвата требует около 75 джоулей энергии в течение 1,3 секунды, в то время как последующее всплытие практически не требует энергии», — отмечает профессор Се. Эта стратегия значительно снижает общее энергопотребление по сравнению с системами с постоянным питанием. Кроме того, робот может двигаться под водой во всех направлениях, координируя сгибание рук, и преодолевать расстояние в 70 см за 55 секунд в заданном направлении.

Авторы полагают, что данная технология позволяет осуществлять автономные морские операции, восстанавливать экосистемы и выполнять океанические миссии. «Используя подводную среду, ранее являвшуюся лишь источником тепловой энергии, в качестве активного элемента системы управления, мы разрабатываем масштабируемую конструкцию, пригодную для решения задач, связанных с распределенным сбором информации, — отмечает профессор Се. — Мы предлагаем безопасное, действенное и бесшумное решение для охраны океанов».

[Фото: Сяомин Гуан, Лаборатория «Турбулентность и сложные системы», Лаборатория интеллектуального биомиметического проектирования, Школа передовых производств и робототехники, Пекинский университет ]