Робот-прыгун UC Santa Barbara устанавливает новый рекорд высоты: 30 метров

Механический прыгун, разработанный профессором Эллиотом Хоксом из Университета Калифорнии в Санта-Барбаре и соавторами, способен достичь наибольшей высоты — примерно 100 футов (30 метров) — среди всех прыгунов на сегодня, инженерированных или биологических. Достижение представляет свежий подход к дизайну прыгающих устройств и продвигает понимание прыжка как формы локомоции.

«Мотивация пришла от научного вопроса», — сказал Хокс, который как роботизист ищет понимание множества возможных методов для машины навигировать по своей среде. «Мы хотели понять, какие пределы у инженерированных прыгунов». Хотя есть столетия исследований биологических прыгунов (то есть нас в животном царстве) и десятилетия исследований в основном био-инспирированных механических прыгунов, он сказал, две линии исследования были несколько разделены. «Не было исследования, которое сравнивает и контрастирует их и как их пределы отличаются — действительно ли инженерированные прыгуны ограничены теми же законами, что биологические», — сказал он.

Биологические системы долго служили первыми и лучшими моделями для локомоции, и это особенно верно для прыжка, определенного исследователями как «движение, созданное силами, приложенными к земле прыгуном, сохраняющим постоянную массу». Многие инженерированные прыгуны фокусировались на дублировании дизайнов, предоставленных эволюцией, и с большим эффектом.

Но элементы, создающие прыжок в биологической системе, могут быть ограничивающими для инженерированных систем, сказал Чарльз Ксяо, PhD-кандидат в лаборатории Хокса.

«Биологические системы могут прыгать только с той энергией, которую они могут произвести за один ход мышцы», — сказал Ксяо. Таким образом, система ограничена количеством энергии, которое она может передать для отталкивания тела от земли, и прыгун может прыгнуть только до определенной высоты.

Для инженерированных прыгунов исследователи думали, что может быть способ увеличить количество доступной энергии.

Они используют моторы, которые кривят или вращаются, чтобы сделать много ходов, умножая количество энергии, которое они могут накопить в своей пружине. Исследователи назвали эту способность «work multiplication» (умножение работы), которую можно найти в инженерированных прыгунах всех форм и размеров.

«Эта разница в производстве энергии в биологических versus инженерированных прыгунах означает, что у двух должны быть очень разные дизайны для максимизации высоты прыжка», — сказал Ксяо. Животные должны иметь маленькую пружину — только достаточно для хранения относительно небольшого количества энергии, произведенной их единичным мышечным ходом — и большую мышечную массу. В противовес, инженерированные прыгуны должны иметь максимально большую пружину и крошечный мотор».

Исследователи взяли эти инсайты и спроектировали прыгуна, совсем не похожего на биологических — отношение размера пружины к мотору почти в 100 раз больше, чем у животных. Далее они придумали новую пружину, стремясь максимизировать её хранение энергии на единицу массы. В их гибридном натяжение-сжатие пружине углеродно-волокнистые лучи сжатия сдавливаются, пока резиновые ленты растягиваются затягиванием линии, намотанной на шпиндель, приводимый мотором. Команда обнаружила, что связывание внешне-сгибающихся краев лучей через середину с резиной в натяжении также улучшает прочность пружины.

«Удивительно, но резина делает пружину-сжатие сильнее», — сказал Хокс. «Вы можете сжать пружину дальше, не ломая её».

Прыгун спроектирован легким, с минималистичным защелкивающим механизмом для высвобождения энергии для прыжка, и также аэродинамичным, с ногами, складывающимися внутрь для минимизации аэродинамического сопротивления во время полета. Все вместе эти дизайн-фичи позволяют ему разгоняться от 0 до 60 миль/ч за 9 миллисекунд — ускорение 315g — и достигать примерно 100-футовой высоты в демонстрациях исследователей. Для мотор-приводных прыгунов это «близко к выполнимому пределу высоты прыжка с текущими доступными материалами», согласно исследованию.

Этот дизайн и способность превзойти пределы, установленные биологическими дизайнами, устанавливают сцену для переосмысления прыжка как эффективной формы машинной локомоции. Прыгающие роботы могли бы попадать в места, куда сейчас достигают только летающие роботы.

Выгоды были бы еще более выражены вне Земли. Прыгающие роботы могли бы перемещаться по Луне или планетам эффективно, не сталкиваясь с препятствиями на поверхности, одновременно получая доступ к особенностям и перспективам, недоступным для наземных роботов.

«Мы рассчитали, что устройство должно иметь возможность преодолеть 125 метров высоты, прыгая полкилометра вперед на Луне», — сказал Хокс, указывая, что гравитация Луны 1/6 земной и практически нет воздушного сопротивления. «Это был бы один гигантский скачок для инженерированных прыгунов».