Исследователи из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе (UCLA) и Мичиганского университета обнаружили, что закручивание изогнутых упругих стержней вызывает резкий щелчок, который позволяет небольшим роботам прыгать или плавать. Результаты работы опубликованы в журнале Science Advances. Проект возглавили Халид Джавед, доцент кафедры машиностроения и аэрокосмической инженерии UCLA, и Сяонань (Шон) Хуан, доцент робототехники Мичиганского университета.
По словам Шона Хуана, главная идея заключается в том, чтобы переложить часть работы на механику самого робота, вместо того чтобы использовать более крупные двигатели или сложные системы управления. Программируя моменты накопления и быстрого высвобождения энергии упругой конструкцией, можно обеспечить компактным роботам мощные и повторяемые движения без постоянной высокой нагрузки на мотор. В перспективе этот принцип пригодится машинам, которым нужно передвигаться по загромождённой местности, преодолевать препятствия, быстро менять ориентацию или работать как на суше, так и в воде.
Когда гибкий стержень изгибают и поворачивают его концы, он рано или поздно меняет форму, сбрасывая накопленное напряжение, но происходит это по-разному. При одних сочетаниях изгиба и кручения стержень деформируется плавно, при других — резко перескакивает из одного состояния в другое, что даёт сильный толчок. С помощью компьютерного моделирования и экспериментов команда подобрала спиралевидную форму, напоминающую фрагмент витой пружины, которая обеспечивает максимальный выброс энергии и быстро возвращается в исходное положение для следующего щелчка.
Как отметил Халид Джавед, именно форма стержня, а не его размер определяет, будет ли щелчок резким или деформация плавной, поэтому одни и те же принципы проектирования работают в широком диапазоне масштабов. Это открывает путь к созданию роботов шириной всего несколько миллиметров, превращающих слабые движения мотора в мощные импульсы. После оптимизации механизма команда собрала действующие прототипы, которые прыгают за счёт щёлкающих стержней: соединённые с вращающимся мотором, они закручиваются до срабатывания, после чего двигатель раскручивает их и снова изгибает.
Прототип, напоминающий лягушку, с парой щёлкающих стержней в задней части прыгал по разным поверхностям — от твёрдых, таких как дерево и стекло, до мягких и скользких, например кожи. На улице робот размером с ладонь передвигался по песку и траве, поднимался и спускался по ступеням, а с гребными насадками мог даже плыть. Разная скорость движения двух стержней позволяла ему поворачивать; с помощью пульта операторы управляли роботом в небольшой песочнице с каменными препятствиями. Также был автоматизирован простой метод навигации с датчиками света, при котором робот приближается к источнику освещения. Прототип массой около 0,25 фунта (примерно 113 граммов) развивал скорость около трёх длин корпуса в секунду — как детёныш головастой морской черепахи, ползущий к океану.
В числе авторов исследования также учёные из Мичиганского университета, Вассар-колледжа в Нью-Йорке и Университета Ньюкасла в Великобритании. Финансирование работы предоставил Национальный научный фонд. Об этом сообщает Мичиганский университет.