Морган Поуп – аспирант университета Стэнфорда (Stanford University) занимается разработкой роботов, которые, подобно комарам, живут «на границе воздуха, стен и потолков» Он опубликовал большую статью о своей разработке: роботе - SCAMP («проходимец»), который по своему внешнему виду и способностям очень напоминает комара.
…Если «что-то» должно взлетать, то оно, сначала, должно уметь приземляться… Квадрокоптеры имеют ограниченный полётный ресурс из-за небольшой ёмкости их аккумуляторов. Но их умение на просто совершать посадку, а ещё и надёжно цепляться за «экстремальную» посадочную поверхность (например, стена, или потолок) может позволить им работать в течение многих часов или даже дней в режиме сбора данных. В полете квадрокоптер собирает данные, а «в посаженном состоянии» - транслирует данные на базовую станцию. А в неблагоприятных погодных условиях дрон может сесть куда-нибудь, зафиксироваться и переждать непогоду.
В биометрической лаборатории ловких манипуляций (Biomimetics and Dexterous Manipulation Lab) университета появился шанс создать робота, способного к «многорежимному» функционированию в неструктурированной внешней окружающей среде. Результатом стал робот с аббревиатурой SCAMP. Это - первый робот, который объединяет в себе способности: летать, садиться на такие «посадочные площадки», как потолок или стена с пассивным прикреплением к поверхности, встать на ноги и взлететь вновь. То, что с успехом делают комары.
Хождение по стенам и потолку
За прошлое десятилетие группа робототехников из биометрической лаборатории разработали серию «лазающих» по стенам роботов, которые для сцепления ног с шероховатыми поверхностями используют «умные» (неклейкие) пластыри направленного действия. Наивысшее достижение в этом – разработка пластыря «геккон» (имитирующий устройство кожи лапки геккона), который позволил обеспечить направленное «прилипание» к стеклу. Эта разработка привела к созданию серии «лазающих» роботов Stickybot I, II, и III. разработчики смогли миниатюризировать Stickybot в 9-ти граммового робота, способного удержать на стене груз, превышающий его вес в 100 раз. А механизм лазания робота SCAMP основан на так называемых «микроштопорах», которые прикреплены к маленькому квадрокоптеру. Конструкция ног робота напоминает ноги многих лазающих насекомых, таких как долгоножка или богомол. И это не случайно. Для насекомых характерны длинные, тонкие, почти невесомые ноги. Робот ещё не достиг размера насекомых. Но он уже стал достаточно маленьким, чтобы, используя современные композитные материалы (такие как углеволокно), можно было создать ноги, которые такие же длинные и лёгкие.
Полёт и посадка
Хороший лазающий механизм - не оптимальный механизм для посадки и прикрепления к посадочной поверхности. Поэтому, пришлось пересмотреть подход к прикреплению к стене. Предыдущие опыты показали, что квадрокоптер склонен терять управляемость, когда манёвр посадки уже близок к завершению. В мире природы, некоторые птицы и насекомые во время посадки используют «антиподъёмную» силу, которая прижимает птицу/насекомое к поверхности, пока не будет достигнуто надёжное зацепление. Такой подход был применён и для робота SCAMP. Во время посадки (ещё до зацепления за поверхность при помощи «микроштопоров», роторы квадрокоптера создают силу, прижимающую робота к стене. Во время посадки робот летит хвостом вперед к стене. Когда хвост касается стены, датчики это обнаруживают, и тяга роторов возрастает до максимума. Робот оказывается прижатым к посадочной поверхности до тих пор, пока не затихнут колебания корпуса робота, возникающие в момент посадки. Затем начинают действовать «микроштопоры», а роторы можно выключить и начать «лазание» по стене.
Совместные действия режимов передвижения
Необходимость пересмотреть стратегию посадки - пример того, как объединение двух совсем разных способов передвижения требует определенных компромиссов (что характерно при объединении альтернативных технических систем). Однако эти компромиссы окупаются некоторыми интересными новыми совместными действиями между режимами полета и лазанья (сверхэффект, возникший после объединения альтернативных технических систем).
Сначала казалось, что роторы робота являются «мертвым весом» для механизма, лазанья. Однако разработчики скоро узнали, что роторы имеют большое значение в режиме передвижении по вертикальной поверхности. Когда робот, вдруг, отпускает свои захваты и начинает падать, датчики регистрируют внезапно возникшее вертикальное ускорение и на короткое время включает его роторы. Тяга роторов прижимает робота обратно к стене, и он может продолжить карабкаться дальше. А после падения (если робот, конечно, будет в состоянии работать дальше), необходимо ещё и встать на ноги и продолжить восхождение на стену. Этот режим с успехом усвоили муравьи.
Роторы могут также помочь «микроштопорам» робота сцепиться со стеной. Для робота одна из самых сложных задач – это восхождение по вертикальной поверхности. Потому, что центр массы робота неизбежно отклоняется назад от поверхности стены, и возникает опрокидывающий момент. Это означает, что ноги робота должны создавать дополнительную силу сцепления, чтобы не дать роботу опрокинуться. Однако если включить роторы робота на небольшую тягу, можно скомпенсировать опрокидывающий момент аэродинамической силой, что делает работу ног значительно легче. Здесь снова природа нашла аналог: куропатку, которая использует свои крылья, чтобы двигаться по вертикальным стволам деревьев. Для робота нетрудно найти и другие природные аналоги: животные по своей сути «многорежимны». И огромное разнообразие животных, (от белок-летяг, до дятлов), быстро переключаются между режимами полета, зацепления и лазания в зависимости от условий внешней, чтобы оптимизировать свою стратегию передвижения (принцип местного качества).
Экономия электроэнергии
Увеличение времени полезной работы при сборе информации в статичном состоянии - главная мотивация использования режима зацепления. Поэтому, робот был снабжён амперметром, чтобы выяснить точно, насколько дольше робот сможет работать благодаря его способности «висеть пассивно на стене». Микропроцессор робота пока что не очень экономичен (потребляет немного больше чем 100 миллиамперов). Но это временное явление. Более совершенные модели могут потреблять электроэнергию в 5 – 10 раз меньше. Но в полёте электродвигатели и электроника робота потребляют электроэнергии во много раз больше. Время полезной работы робота только в полёте исчислялось несколькими минутами, а в режиме «висеть пассивно на стене» время работы увеличивалось до 2-х часов.
Дальнейшие планы
Ещё есть множество идей, как улучшить робота, которые, пока что, ещё не воплощены в жизнь. Например, можно автоматически «настраивать» походку робота для хождения по поверхностям с разной текстурой и шероховатостью. В будущем хотелось бы осуществить адаптивное управление походкой робота: разработать алгоритмы, которые позволят роботу реагировать на «неудачу», динамично изменяя свою стратегию восхождения. Правильный алгоритм мог бы даже «придумать» новые эффективные походки, о которых разработчики даже и не догадывались.
Эта версия робота станет «стартовой площадкой» целого семейства более совершенных «многорежимных» роботов.