Спросите любого, какой образ приходит в голову, когда вы произносите слово «робот » , и вы, несомненно, получите ответы, вдохновленные популярной культурой. Например, жидкий металл, изменяющий форму Т-1000 из фильма « Терминатор 2: Судный день» (1991); или Оптимус Прайм, лидер автоботов и главный герой фильмов « Трансформеры» (2014-). И кто может забыть Дейту из « Звездного пути: Следующее поколение» (1987-94), кибертронной версии Пиноккио, стремящегося стать более человечным?

Эти (и бесчисленное множество других) примеров разделяют гуманоидные характеристики, заложенные в их конструкции. Когда Оптимус не грузовик, у него есть руки и ноги. По умолчанию форма Т-1000 выглядит как человек. Данные были смоделированы по образцу его очень человечного создателя. По голливудским стандартам, окончательная форма робототехники будет внешне неотличима от самих людей.

Наше воображение свободно, но технологические проблемы все еще ограничивают создание роботов, которые идеально имитируют гуманоидные условности в реальном мире. Тем не менее я пытался справиться с этой задачей. Мои исследования в области машиностроения позволили мне продолжить поиски механизмов со сложными параметрами. Один из них проектировал симулятор моторики глаза человека. Нет, это не был проект по созданию компонента Терминатора; скорее, это была попытка понять и смоделировать поведение человеческого глаза.


Для этого потребовалось представить себе глазную систему, которая совершает саккадическое движение - быстрое одновременное движение двух глаз в одном направлении с максимальной скоростью более 500 градусов в секунду (да, мы, люди, делаем это). Подобно человеческим глазам, механическая система будет работать с тремя независимыми вращательными степенями свободы (DoF). Наши глаза не только двигаются вверх-вниз и влево-вправо, но и совершают торсионные, скручивающие движения. Установить все электрические и механические части, включая шарниры, звенья и двигатели, в единую систему было непростой задачей. И все для очень определенной и уникальной задачи.

Затем последовали еще несколько типов роботов, вдохновленных гуманоидами. И хотя мне удалось достичь ближайшей цели, какой бы она ни была, у моих роботов были ограничения. Например, я разработал роботизированную руку с 8 степенями свободы и руку с 7 степенями свободы (вместе весом 3,7 кг, что сопоставимо с человеческим), которые оставались достаточно гибкими, чтобы хватать и бросать бейсбольный мяч, но не могли поднять монету. Он мог пожать руку сильным хватом, но не мог вести войну большим пальцем.

Короче говоря, конечности, которые я создавал, были ограничены в функциях. У них было фиксированное количество шарниров и приводов, что означало, что их функциональность и форма были ограничены с момента их создания. Подумайте об этой руке робота: у нее были шарнирные и моторизованные суставы, которые позволяли ей бить по мячу, но она не подходила для приготовления яичницы. Но если бы было бесконечное множество задач, потребовалось бы бесконечное разнообразие комбинаций?

Безграничный мир, увиденный в таких фильмах, как « Большой герой 6» (2014) с участием микроботов, казался мне далеким, когда я понял, что уже существует гибкая и универсальная платформа для проектирования. Этот метод взятия одного и того же базового компонента и использования его для создания множества различных и конкретных форм применялся веками. Это называется оригами.

Wкто не сделал бумажный самолетик, бумажный кораблик или бумажного журавлика из одного листа бумаги? Оригами - это уже существующая и очень универсальная платформа для дизайнеров. Из одного листа можно сделать несколько фигур и, если вам это не нравится, развернуть и снова сложить. Фактически, математика доказала, что любую трехмерную форму можно создать из складывания двумерных поверхностей.

Можно ли это применить к конструкции роботов? Представьте себе роботизированный модуль, который будет использовать многоугольники для создания множества различных форм для создания множества роботов для множества различных задач. Кроме того, представьте себе интеллектуальный лист, который может самостоятельно складываться в любую желаемую форму, в зависимости от потребностей окружающей среды.

Я сделал своего первого робота-оригами, которого я назвал «робогами», около 10 лет назад. Это было простое существо, робот с плоским листом, который мог превращаться в пирамиду и обратно в плоский лист, а затем в космический шаттл.

С тех пор мои исследования , проводимые с помощью аспирантов и постдока, продвинулись вперед, и теперь новое поколение робогами видит свет. Это новое поколение робогамий служит одной цели: например, один из них может самостоятельно перемещаться по разным местам. По сухой и ровной земле может ползать. Если он внезапно встретит неровную местность, он начнет катиться, активируя другую последовательность приводов. Более того, если он встретит препятствие, он просто перепрыгнет через него! Он делает это, накапливая энергию в каждой своей ноге, затем высвобождая ее и катапультируясь, как рогатка.


Они могли даже присоединяться и отсоединяться, в зависимости от среды и задачи. Вместо того, чтобы быть отдельным роботом, специально созданным для одной-единственной задачи, robogamis спроектированы и оптимизированы для многозадачности с нуля.

Это пример робогами-одиночки. Но представьте, что могут сделать многие робогамины в группе. Они могли объединить усилия для решения более сложных задач. Каждый модуль, активный или пассивный, мог собираться для создания разных форм. И не только это, управляя складными соединениями, они могут решать различные задачи в меняющихся условиях. Например, подумайте о космическом пространстве, где условия непредсказуемы. Единая роботизированная платформа, которая может трансформироваться для выполнения многозадачных задач, может повысить вероятность успеха миссии.

Своей радикальной геометрической реконфигурируемостью дизайн робогами обязан двум основным научным открытиям. Один из них - это послойный двухмерный производственный процесс: множество функциональных слоев основных компонентов робота (например, микроконтроллеров, датчиков, исполнительных механизмов, схем и даже батарей) накладываются друг на друга. Другой - это преобразование конструкции типичных механических соединений в различные складные соединения (например, неподвижное соединение, шарнирное соединение, плоское и сферическое соединение).

Это означает, что вместо того, чтобы сосредоточиться только на минимизации размеров соединяемых компонентов, мы можем фактически уменьшить количество компонентов при проектировании роботов. Мы можем миниатюризировать системы с многочисленными компонентами, которые требуют сложной сборки и калибровки, сделав их плоскими; их можно штабелировать и при этом сохранять точность.

Одной из таких систем является тактильное устройство, в котором пользователь и компьютер взаимодействуют с помощью такого механизма, как джойстик. Обычно они используются в качестве хирургических роботов, где хирургам требуется высокая точность с тонкой обратной связью по усилию. Для этого требуется большая операционная с роботизированными руками с высокой глубиной резкости, где хирурги могли бы ощущать различную жесткость органов и полостей через моторизованный интерфейс, который переводил бы разницу сил на кончике роботизированного конечного эффектора.

С robogamis эта тактильная технология стала более доступной, чем когда-либо. Тактильный интерфейс robogami будет похож на складной джойстик, который можно прикрепить к крышке мобильного телефона. Наличие тактильного интерфейса, связанного непосредственно с мобильным телефоном, означает, что его можно использовать в качестве портативного джойстика, который может реагировать на наши повседневные действия, такие как онлайн-обучение или покупки. Это позволит вам почувствовать различные органы в атласе анатомии человека, различные географические объекты на карте или даже твердость или спелость разных видов сыра и персиков.

Технологии робототехники становятся все более персонализированными и адаптируемыми для людей, и этот уникальный вид реконфигурируемых роботов-оригами показывает огромные перспективы. Он мог бы стать платформой для предоставления интуитивно понятного встраиваемого роботизированного интерфейса для удовлетворения наших потребностей. Роботы больше не будут похожи на персонажей из фильмов. Вместо этого они будут повсюду вокруг нас, постоянно адаптируя свою форму и функции - а мы даже не узнаем об этом.