Гепард может бегать быстрее любого другого животного. Лапы геккона прилипают почти к любой поверхности без каких-либо жидкостей. А некоторые жуки передвигаются на расстояние, в 50 раз большее длины туловища, за 1 секунду. Если последних увеличить до масштабов человека, они бы неслись со скоростью 320 км/ч. Вся эта информация имеет практическое значение не только для любителей каналов Discovery и National Geographic. Конструктор роботов и профессор Массачусетского технологического института (Massachusetts Institute of Technology) Сэнгбей Ким (Sangbae Kim) пытается понять, как перенести используемые животными биологические механизмы на искусственные машины.
По словам учёного, царство зверей предоставляет лучшие идеи для создания мобильных роботов, потому как способность передвигаться – одна из ключевых для выживания, необходимая для поиска еды и воды, избегания столкновений с хищниками. "Движение – это их главнейшая функция, и они выполняют её на отлично. Поэтому почерпнутые из природы идеи очень важны для таких конструкторов, как я", - объясняет Ким. Впервые исследователь занялся переносом биологических моделей несколько лет назад в Стэнфордском университете (Stanford University). Упрощение и адаптация особенностей, подмеченных у животных, привели к созданию искусственных машин, подобных реальным существам. Среди творений учёного и его команды - Stickybot, в котором применён принцип действия лап геккона, и iSprawl, вдохновением для реализации которого послужили тараканы. Последний проект обязан гепарду и подразумевает создание робота из лёгкого композитного материала, включающего углеродные волокна. Скорость передвижения должна составлять 56 км/ч. Безусловно, задача амбициозная. Используемые сегодня в различных областях роботы хотя чаще всего и оснащены колёсной базой, но довольно медлительны. Например, PackBot от iRobot, используемый американскими вооружёнными силами, развивает максимальную скорость всего 9 км/ч.
"Большинство роботов на колёсах прекрасно справляются с ровными поверхностями, но они не отличаются быстротой", - говорит Ким. Это стало причиной внимания к самым быстрым земным существам – гепардам, которые могут в процессе преследования добычи разогнаться до 110 км/ч. Частично хищник обязан за это гибкому позвоночнику. В течение следующих 18 месяцев исследователь и четыре аспиранта будут конструировать и тестировать прототипы. Первым шагом станет компьютерная модель расчёта оптимальной длины конечностей, массы, движения суставов. Но наибольшая задача не в структуре скелета, а в достаточной мощности мотора для достижения желанной скорости.
Пока же "флагман" роботостроения – уже упомянутый Stickybot. Гекконы умеют ползать по стенам с такой же скоростью, как по земле – около 1 м/с. Эта способность делает их идеальными кандидатами на воспроизведение в виде механической ящерицы. Секрет такой резвости заключается в явлении направленного сцепления. "Лапы геккона отделяются очень легко при движении вперёд, - поясняет Ким. – Если вы возьмёте обычную клейкую ленту и прижмёте к стене, вы не сможете снять её быстро. Направленное сцепление решает эту проблему". "Подушечки" лап этого животного покрыты миниатюрными волосками, или щетинками, толщиной в 1000 раз меньше человеческого волоса. Они цепляются к поверхностям благодаря межмолекулярным силам Ван-дер-Ваальса. Этот природный механизм Ким и попытался воплотить в Stickybot. Его "ступни" имеют аналогичное покрытие из тонких эластичных полимерных волосков, однако они крупнее, чем у геккона, и ограничивают возможности робота. Ему доступны только очень гладкие поверхности, такие как стекло. В настоящий момент технологию дорабатывают.
Ползать животные могут и с помощью когтей. Насколько практично такое решение в случае роботов, Ким также не преминул проверить. Экспериментальным устройством стал Spinybot с шестью конечностями и расположенными на них небольшими шипами, или коготками, как называет их команда исследователей. Идея была позаимствована у пауков. В отличие от когтей котов, их миниатюрные версии не проникают внутрь поверхностей, а используют естественные неровности. На каждой из механических лап Spinybot расположены 10 независимых друг от друга "пальцев" с двумя иглоподобными образованиями на каждом. Применение подобной технологии оказалось успешным, и Ким трудится над увеличением масштаба робота.
Тараканы – не самые привлекательные существа, но их способность быстро передвигаться, наоборот, притягивает внимание исследователей. Насекомые этого вида не контролируют с особой тщательностью каждую из 6 лап, меняющих положение 15 раз в секунду, объясняет Ким. Изучение тараканов и механики их движения привело к разработке робота iSprawl с шестью конечностями, но совсем иного характера, чем в случае с Spinybot. Искусственное существо размером с руку имеет аккумулятор, электромотор и систему передачи усилия от него к лапам. iSprawl был первым среди "биороботов" Кима и способен преодолевать 2,3 м в секунду.
