Робот-прыгун прыгает на рекордную высоту

Механический прыгун, разработанный профессором инженерии Калифорнийского университета в Санта-Барбаре Эллиотом Хоуксом и его сотрудниками, способен достичь самой большой высоты — примерно 100 футов (30 метров) — среди всех прыгунов на сегодняшний день, инженерных или биологических. Этот трюк представляет собой свежий подход к конструкции прыжковых устройств и способствует лучшему пониманию прыжков как формы передвижения.

«Мотивация пришла из научного вопроса», — сказал Хоукс, который как робототехник стремится понять множество возможных методов, позволяющих машине ориентироваться в окружающей среде. «Мы хотели понять, каковы ограничения для инженерных перемычек». По его словам, несмотря на то, что существуют столетия исследований биологических прыгунов (это были бы мы в животном мире) и десятилетия исследований в основном биологически вдохновленных механических прыгунов, эти два направления исследований были несколько разделены. «На самом деле не проводилось исследования, в котором бы сравнивались и противопоставлялись эти два объекта и их пределы — действительно ли искусственные прыгуны ограничены теми же законами, что и биологические прыгуны», — сказал он.

Биологические системы долгое время служили первыми и лучшими моделями передвижения, и это особенно верно для прыжков, определяемых исследователями как «движение, создаваемое силами, прикладываемыми прыгуном к земле, при сохранении постоянной массы». Многие проектировщики прыгунов сосредоточились на копировании конструкций, созданных эволюцией, и с большим успехом.

Но элементы, которые создают скачок в биологической системе, могут быть ограничивающими для инженерных систем, сказал Чарльз Ксайо, доктор философии. кандидат в лаборатории Хоукса.

«Биологические системы могут прыгать только с таким количеством энергии, которое они могут произвести за один удар своей мускулатуры», — сказал Шайо. Таким образом, система ограничена в количестве энергии, которую она может дать для отталкивания тела от земли, и прыгун может прыгнуть только на определенную высоту.

Однако исследователи подумали, что для инженерных прыгунов существует способ увеличить количество доступной энергии.

Они используют двигатели, которые храповиком или вращаются, чтобы сделать много ходов, увеличивая количество энергии, которую они могут хранить в своей пружине. Исследователи назвали эту способность «умножением работы», которую можно найти в инженерных джемперах всех форм и размеров.

«Эта разница между производством энергии в биологических и инженерных прыгунах означает, что они должны иметь очень разные конструкции, чтобы максимизировать высоту прыжка», — сказал Сяо. У животных должна быть небольшая пружина — достаточная только для хранения относительно небольшого количества энергии, производимой их единичным мышечным движением, — и большая мышечная масса. Напротив, инженерные прыгуны должны иметь как можно большую пружину и крошечный двигатель».

Исследователи использовали эти идеи и разработали прыгун, совершенно не похожий на биологический прыгун — размер его пружины по отношению к его двигателю почти в 100 раз больше, чем у животных. Кроме того, они разработали новую пружину, стремясь максимально увеличить запас энергии на единицу массы. В их гибридной пружине растяжения-сжатия компрессионные дуги из углеродного волокна сжимаются, а резиновые ленты растягиваются за счет натяжения лески, намотанной на шпиндель с приводом от двигателя. Команда обнаружила, что соединение изгибающихся наружу краев дуг посередине с натянутой резиной также увеличивает прочность пружины.

«Удивительно, но резина делает пружину сжатия сильнее», — сказал Хоукс. «Вы можете сжать пружину еще больше, не сломав ее».

Джемпер спроектирован таким образом, чтобы быть легким, с минималистичным механизмом фиксации для высвобождения энергии для прыжка, а также аэродинамическим, со складывающимися ногами для минимизации сопротивления воздуха во время полета. В целом, эти конструктивные особенности позволяют ему разгоняться от 0 до 60 миль в час за 9 миллисекунд — сила ускорения 315 g — и достигать примерно 100-футовой высоты в демонстрациях исследователей. Согласно исследованию, для моторизованных прыгунов это «почти допустимый предел высоты прыжка с доступными в настоящее время материалами».

Этот дизайн и способность выходить за пределы, установленные биологическим дизайном, закладывают основу для переосмысления прыжков как эффективной формы машинного передвижения. Прыгающие роботы могут добраться до мест, куда в настоящее время добираются только летающие роботы.

Преимущества будут еще более выраженными за пределами Земли. Прыгающие роботы могут эффективно путешествовать по Луне или планетам, не сталкиваясь с препятствиями на поверхности, а также получать доступ к функциям и перспективам, недоступным для наземных роботов.

«Мы рассчитали, что устройство должно быть в состоянии преодолевать высоту 125 метров, прыгая на полкилометра вперед на Луне», — сказал Хоукс, указав, что гравитация Луны составляет 1/6 от земной и что в принципе нет никакой гравитации. сопротивление воздуха. «Это был бы гигантский скачок для инженерных прыгунов».