Ранее в этом блоге я затрагивал тему реконфигурируемых роботов (статья «Сложить и расправить»). С разработкой модульных роботов мне довелось познакомиться ещё около четырёх лет назад, до прихода на Хабр — в тот период, когда я работал в бывшем СПИИРАН в лаборатории автономных робототехнических систем под руководством Антона Савельева и под непосредственным началом Никиты Павлюка. Именно тогда, под большим впечатлением от наших исследований (я помогал ребятам разбираться в англоязычных источниках, сокращать, формулировать, переводить) я пересмотрел и переосмыслил франшизу о «Чужих», впервые задумавшись, в какой степени ксеноморфы из этой истории подобны бионическим роботам. Предположу, что в финале второй части и особенно в битве Рипли с маткой режиссёр вполне осознанно сравнивал степени свободы и технические возможности традиционного робота-погрузчика и гибкого бионического робота. Из месяца в месяц откладывая эту тему, теперь я, наконец, хочу разобрать физические возможности и тонкости производства гибких мягких роботов. Такие конструкции уже начинают называть «флекзоскелетами». .
С середины прошлого века кинематика и динамика промышленных роботов, а также управление ими подробно изучались при допущении, что звенья роботов можно смоделировать при помощи механики жёсткого тела. Дело в том, что в те годы основной разновидностью являлись роборуки-манипуляторы, применявшиеся при конвейерной сборки, и при эксплуатации таких роботов было принципиально важно исключить неточности позиционирования, связанные с эластичными отклонениями и вибрацией. У жёстких роботов достаточно было установить в сочленениях и на приводных валах угловые энкодеры, позволяющие оценить позицию рабочего органа чисто геометрическими методами в стационарных декартовых координатах. Но такой подход не слишком удобен, если манипулятор состоит из множества мелких деталей, и их случайные отклонения игнорировать уже нельзя. Манипуляторы с такими мелкими деталями тем более востребованы, чем более тонкие и легковесные детали собираются на конвейере, чем быстрее становится технологический процесс.
Моделирование мелких манипуляторов позволило открыть некоторые существенные физические принципы, диктуемые гибкостью. Гибкость субструктур требовалось не только контролировать, но и обратить себе на пользу. Мелкий манипулятор требуется оснащать сенсорами, позволяющими машине точнее оценивать собственное положение и состояние окружающей среды. При использовании датчиков в целом лучше контролируется пространство, в котором действует робот, но управление роботом в целом усложняется. В конструкции манипулятора должны учитываться соотношения между полезной массой и максимальной подвижной массой, исполнительные механизмы должны быть компактнее, потребляемая энергия ниже. Кроме того, необходимо снизить хрупкость таких механизмов, то есть, перейти от жёстких элементов к мягким. Особенно важно уравновесить мягкость и жёсткость захватов, так как этот исполнительный механизм не должен повреждать предметов, которыми оперирует, но при этом должен крепко и точно их фиксировать, но при этом не слишком быстро изнашиваться.
Тем не менее, разработка гибких и мягких модулей стала по-настоящему актуальна вместе с развитием мобильных роботов, функционал которых значительно зависит от точности и набора сенсоров, а также предполагает широкое разнообразие движений и вариантов перемещения. Дополнительным фактором, подстегнувшим нынешний расцвет гибких роботов, стало развитие 3D-печати и в особенности технологий FDM (моделирование методом послойного наплавления), о которых я также упомяну ниже.
FDM и бионика
Все вышеперечисленные факторы располагают к биомеханическим решениям – заимствованию морфологии и биомеханики из живой природы. В данном случае особый интерес представляют членистоногие, обладающие разнообразными вариантами локомоции и, что наиболее важно – мелкой моторикой, важность которой я отмечал выше. Бионика уже позволила разработать и сконструировать летающих, плавающих и шагающих роботов. Определяющей анатомической характеристикой насекомых (и всего типа членистоногих) является экзоскелет, обеспечивающий животному и структурную поддержку, и гибкость сочленений, и защиту мягких органов. Кроме того, именно в экзоскелет «встроены» органы чувств, которые в контексте этой статьи подобны сенсорам, захватам и присоскам.
У всех насекомых экзоскелет представляет собой цельный «чехол», охватывающий всю особь. Экзоскелет насекомых состоит преимущественно из двух веществ: плотного белкового хитина и вплетённых в него кутикулярных белков. Именно кутикула – это гибкая составляющая экзоскелета насекомых, дополняющая прочный хитин. Различные элементы экзоскелета у насекомых значительно отличаются по гибкости, градация жёсткости и других механических свойств у органов насекомого образует континуум: сочленения, щитки, крылья. Подвижность конечностей и их функциональные возможности у насекомых критически зависят от сочетания жёстких, мягких и гибридных элементов. В начале XXI аналогичные сочетания, а также тщательно подбираемые материалы послужили вдохновением при конструировании мобильных роботов, но до недавнего времени мобильные роботы оставались подобны своим «заводским» аналогам – то есть, состояли из жёстких блоков и сочленений. Локомоция обеспечивалась двигателями с большим передаточным числом. Качественный скачок в конструировании роботов стал возможен только с появлением 3D-печати и разработкой гибких, эластичных и отвердевающих материалов для неё.
Насекомые во многом обязаны своим эволюционным успехом и повсеместным распространением именно крепкому универсальному экзоскелету, обладающему сложной морфологией. Именно эта сложность зачастую оказывалась невоспроизводимой ранее, когда в робототехнике не применялась 3D-печать. Тем не менее, даже при помощи традиционной 3D-печати не так просто изваять гибридного робота, состоящего из жёстких и мягких элементов — ранее для этого требовалась многоэтапная отливка и машинная обработка, а также оставался очень ограничен набор материалов, подходящих для такой 3D-печати. Именно здесь и пришлась кстати технология FDM, чрезвычайно опередившая своё время. Первый патент на послойное наплавление материалов был выдан ещё в 1988 году компании Stratasys, но практического интереса не вызвал вплоть до 2009 года, когда срок этого патента истёк. К тому времени технология была уже вполне изучена и взята на вооружение в робототехнике. Одним из первых опенсорсных проектов был RepRap (replicating rapid prototyper = репликатор для быстрого прототипирования), запущенный в 2005 году и предназначенный для моделирования и отливки форм. Более современные принтеры, работающие по технологии FDM, инициировали новое ответвление робототехники, которое называется «печать флекзоскелетов». Обычный FDM-принтер можно модифицировать, чтобы слои материала откладывались непосредственно на разогретую подложку из термопласта. Такая подложка является гибкой и прочной (при этом не растягивается), а наслаиваемый материал при отвердевании намертво с ней спекается, что одновременно обеспечивает нерастяжимость и гибкость основы. В таком случае морфология роботов становится значительно разнообразнее и сближается с анатомией членистоногих. В частности, удаётся сконструировать мини-дрон со складными крыльями или гибкого робота-многоножку:
Такая многоножка представляет собой простейший (линейный) флекзоскелет и может использоваться, например, для доставки лекарств внутри организма. Миллиметровые мягкие роботы такого класса не наносят вреда органам и тканям. Приводить таких роботов в движение можно дистанционно, воздействуя на них магнитным полем.
Флекзоскелет обеспечивает и более сложную локомоцию – например, как у этого робота, перемещающегося подобно крабу:
Поскольку флекзоскелеты по определению являются гибридными, в них очень важна сочетаемость используемых материалов. Интеграция гибких компонентов с жёсткими позволяет снизить механическую усталость и конструировать шагающих, плавающих и летающих роботов практически произвольной конфигурации. Не вдаваясь в подробное рассмотрение различных вариантов флекзоскелета (два примера приведены выше), оговоримся, что гибкость различных компонентов функционально отличается:
1. Флекзоскелет может изгибаться целиком (змеиться)
2. У жёсткого робота могут быть гибкие элементы, прежде всего, это захваты и другие исполнительные механизмы
3. Флекзоскелет может блокироваться, приняв нужную форму
Ниже будет описано, как печатаются компоненты флекзоскелета, а параллельно будут показаны варианты реализаций гибкости, упомянутые выше.
3D-печать мягких и гибких компонентов
3D-печать мягких и гибких компонентов обычно связана с использованием мягких волокон на жёсткой подложке. Существует и альтернативный метод – послойное наложение жёстких слоёв на гибкую подложку. Во втором случае вместо гибкого экзоскелета мы получаем гибкий эндоскелет.
Чтобы организовать наплавление слоёв на гибкую подложку, требуется немного модифицировать обычный 3D-принтер, работающий по технологии FDM так, чтобы он экструдировал жёсткие FDM-волокна на гибкую, но нерастяжимую основу из термопластика. Такой метод значительно повышает гибкость всей конструкции, а также позволяет более точно имитировать анатомию насекомых, так как основан на взаимном зацеплении и перекрытии жёстких грибовидных элементов.
При этом точность изготовления повышается сразу в нескольких отношениях:
-
Точный подбор механических свойств: поскольку жёсткость флекзоскелета зависит от толщины и геометрии слоя, степень гибкости можно контролировать как градиент, а также добиваться различной степени жёсткости на разных участках флекзоскелета.
-
Точность компоновки сочленений и связок у робота. Несмотря на гибкость, флекзоскелет можно печатать как цельную структуру, не требующую ручной или механической сборки. При этом расстановка и ориентация подвижных элементов закладывается на этапе проектирования, и по окончании печати все эти элементы уже готовы и правильно сочленены.
-
Точная оценка кривизны флекзоскелета. Поскольку кривизна каждого отдельного элемента известна заранее, общая кривизна конструкции оценивается с высокой точностью уже на этапе 3D-моделирования.
-
Кроме того, варьирование жёсткости флекзоскелета позволяет смоделировать у робота «аналог хитина» и «аналог кутикулы», прикрывая «хитиноподобными» щитками те части робота, которые нужно сохранить водонепроницаемыми, делая всю конструкцию более ровной и гладкой.
Захваты
Их рассмотрим отдельно, так как даже в жёстком или модульном роботе именно захват наиболее целесообразно делать гибким или гибридным для более тщательной и щадящей работы с объектами. В захвате можно предусмотреть внутренний флекзоскелетный каркас, напечатав прямо на нём жёсткие слои (в таком случае они будут не лежать на подложке, как в рассмотренном выше примере, а полностью обволакивать эндоскелет). С другой стороны, мягкие слои могут располагаться и поверх жёсткого захвата, действуя по тому же принципу, что и присоски у осьминога. .
Ещё более продвинутая конструкция – мягкий манипулятор, аналогичный слоновьему хоботу. Разрабатывается с 2022 года в Южной Корее. Это первая конструкция, сочетающая функции захвата и адсорбции. Как присоски осьминога, так и хобот слона действуют по принципу вакуумного захвата, обеспечивая максимально бережные манипуляции.
Подобные захваты содержат гибридный эндоскелет, состоящий как из жёстких, так и из гибких элементов. Поверхность захвата выполняется из силиконовой кожи. Такая конструкция обеспечивает не только гибкость, но и адаптивность, и послойную реконфигурируемость рабочего органа. Поэтому захват на основе флекзоскелета может контролируемо замыкаться вокруг захваченного предмета.
Мягкими захватами и, в частности, силой схвата, можно управлять пневматически, регулируя плотность жидкости или газа, закачиваемых внутрь ячеистой силиконовой кожи. На практике пневматические захваты оказываются слишком уязвимыми – их легко проколоть или порвать, а, теряя герметичность, такой захват работать не может. Поэтому целесообразнее целиком отливать захват из силикона, вкрапляя в него магнитные элементы и/или сенсоры, позволяющие управлять формой схвата. Однако реконфигурация литого силикона – процесс небыстрый и неточный, поэтому для гибкого захвата желательно предусматривать не только флекзоскелет, меняющий форму благодаря взаимному смешению скользящих слоёв, но и видоизменение формы по принципу оригами. Например, здесь рассмотрен бионический флекзоскелет с варьирующейся длиной, способный частично складываться в гармошку. Принцип изменения размера такого робота заимствован у пиявки.
Гибкий захват с флекзоскелетом в основе также позволяет решить или сгладить проблему недоопределённости (underactuation) захвата. О том, насколько сложно обеспечить недоопределённость при использовании жёстких механических пальцев, рассказано здесь. При применении флекзоскелета сила захвата может варьироваться благодаря динамической реконфигурации всего манипулятора, каждого пальца и даже каждой фаланги (с одновременным контролем геометрии и жёсткости). .
Материалы с эффектом памяти
При разработке флекзозахватов и флекзоскелетов особую роль приобретают сплавы с эффектом памяти формы (SMA). В настоящее время таких сплавов известно немного, сравнительно хорошо изучен никелид титана (нитинол). По приведённой ссылке описан диапазон применения нитинола, и акцент явно делается на высокотехнологичной инвазивной медицине и протезировании (титан не вызывает иммунной реакции). 3D-печать композитных исполнительных механизмов с использованием SMA-сплавов только начинает изучаться. Пока в таком качестве используются резиноподобные полимеры с эффектом памяти VeroClear и Agilus30 (как описано, например, здесь) и эластомеры, в частности, Dragon Skin.
Логичным направлением для развития флекзоскелетов представляются жидкометаллические галлиевые сплавы. В качестве робототехнического материала такие вещества кажутся значительно более перспективными, чем современные экструзивные материалы для 3D-печати, так как форму и размер металлических капель значительно проще контролировать (в том числе, в микромасштабе). В таком случае технология FDM окончательно перешла бы в разряд моделирования и прототипирования.
Заключение
Представленный экскурс позволяет уловить неочевидную связь между мобильностью и гибкостью робота. Официальной датой возникновения бионики как науки считается 13 сентября 1960 года, но именно 3D-печать, изобретённая только в 1980 году, обеспечила полноценное развитие биомеханических роботов, а не спорадическое копирование анатомических структур, которые легче всего адаптируются под жёсткую робототехнику. Определённо, современная 3D-печать далека от создания по-настоящему гибких и самозалечивающихся флекзоскелетов, а также от появления гибких трансформеров, но с развитием описанных трендов в нише жидкометаллических сплавов ситуация может качественно улучшиться. Надеюсь, и у этой публикации будет продолжение.
