Био-вдохновленная робототехника - Bio-inspired robotics

Два робота u-CAT, которые разрабатываются в Таллиннском технологическом университете для снижения затрат на подводные археологические операции.

Роботизированное передвижение, вдохновленное биологией, - это довольно новая подкатегория дизайна, вдохновленного биологией. Речь идет об изучении концепций, полученных от природы, и применении их при проектировании реальных инженерных систем. В частности, эта область посвящена созданию роботов, вдохновленных биологическими системами. Иногда путают биомимикрию и био-вдохновленный дизайн. Биомимикрия копирует у природы, в то время как био-вдохновленный дизайн учится у природы и создает механизм, который проще и эффективнее, чем система, наблюдаемая в природе. Биомимикрия привела к развитию другой отрасли робототехники, называемой мягкой робототехникой . Биологические системы оптимизированы для решения конкретных задач в соответствии с их средой обитания. Однако они многофункциональны и не предназначены только для одной конкретной функции. Робототехника, вдохновленная биологией, изучает биологические системы и ищет механизмы, которые могут решить проблемы в области инженерии. Затем разработчик должен попытаться упростить и улучшить этот механизм для конкретной интересующей задачи. Робототехники, вдохновленные биологией , обычно интересуются биосенсорами (например, глазами ), биоактуаторами (например, мышцами ) или биоматериалами (например , паучьим шелком ). У большинства роботов есть система передвижения. Таким образом, в этой статье представлены различные способы передвижения животных и несколько примеров соответствующих био-вдохновленных роботов.

Stickybot: робот, вдохновленный гекконами

Биолокация

Биолокацию или передвижение животных обычно подразделяют на следующие категории:

Передвижение по поверхности

Передвижение по поверхности может включать наземное и древесное передвижение . Мы подробно обсудим наземное передвижение в следующем разделе.

Ушастая летучая мышь таунсенд ( Corynorhinus townsendii )

Передвижение в жидкости

Передвижение в кровотоке или средах с культурой клеток, плавание и полет . Есть много плавающих и летающих роботов, спроектированных и построенных робототехниками. Некоторые из них используют миниатюрные двигатели или обычные приводы MEMS (например, пьезоэлектрические, тепловые, магнитные и т. Д.), В то время как другие используют мышечные клетки животных в качестве двигателей.

Поведенческая классификация (наземное передвижение)

Есть много животных и насекомых, передвигающихся по суше с ногами или без них. В этом разделе мы обсудим передвижение на ногах и без конечностей, а также лазание и прыжки. Закрепление ступней - основа передвижения на суше. Возможность увеличения тяги важна для движения без скольжения по таким поверхностям, как гладкие скалы и лед, и особенно важна при движении в гору. Существуют многочисленные биологические механизмы обеспечения покупки: когти полагаются на механизмы, основанные на трении; ноги геккона на силы стен ван дер; и ноги некоторых насекомых - из-за адгезионных сил, опосредованных жидкостью.

Рекс: надежный шестигранный робот

Ноги передвижение

Роботы с ножками могут иметь одну, две, четыре, шесть или несколько ног в зависимости от области применения. Одно из главных преимуществ использования ног вместо колес - более эффективное передвижение по неровной поверхности. Двуногие , четвероногие и гексапедальные передвижения являются одними из самых любимых видов передвижения на ногах в области био-вдохновленной робототехники. Rhex , надежный шестигранный робот и Cheetah, на сегодняшний день являются двумя самыми быстрыми роботами. iSprawl - это еще один шестигранный робот, вдохновленный движением тараканов , который был разработан в Стэнфордском университете. Этот робот может двигаться со скоростью до 15 человек в секунду и развивать скорость до 2,3 м / с. Первоначальная версия этого робота имела пневматический привод, в то время как новое поколение использует один электродвигатель для передвижения.

Безграничное передвижение

Рельеф, включающий топографию в различных масштабах длины, может быть сложной задачей для большинства организмов и биомиметических роботов. Такая местность легко преодолевается безногими организмами, такими как змеи. Некоторые животные и насекомые, включая червей , улиток , гусениц и змей , способны к передвижению без конечностей. Обзор змееподобных роботов представлен Hirose et al. Эти роботы можно разделить на роботов с пассивными или активными колесами, роботов с активными гусеницами и волнистых роботов, использующих вертикальные волны или линейные расширения. Большинство змееподобных роботов используют колеса, которые имеют высокое трение при движении из стороны в сторону и низкое трение при движении вперед (и их можно предотвратить от откатывания назад). Большинство змееподобных роботов используют либо боковую волнистость, либо прямолинейное движение и испытывают трудности при подъеме по вертикали. Choset недавно разработал модульного робота, который может имитировать несколько змеиных походок, но не может выполнять движения гармошкой . Исследователи из Технологического института Джорджии недавно разработали двух змееподобных роботов под названием Scalybot. Основное внимание в этих роботах уделяется роли вентральной чешуи змеи в регулировке фрикционных свойств в разных направлениях. Эти роботы могут активно управлять своими весами, чтобы изменять свои фрикционные свойства и эффективно перемещаться по различным поверхностям. Исследователи из CMU разработали как масштабируемых, так и обычных управляемых змееподобных роботов.

Альпинизм

Восхождение - особенно сложная задача, потому что ошибки, допущенные альпинистом, могут привести к тому, что он потеряет хватку и упадет. Большинство роботов построено вокруг одной функции, наблюдаемой у их биологических аналогов. Гекоботы обычно используют силы Ван-дер-Ваальса, которые действуют только на гладких поверхностях. Вдохновленные гекконами, ученые из Стэнфордского университета искусственно воссоздали липкие свойства геккона. Подобно щетинке на ноге геккона, миллионы микроволокон были прикреплены к пружине. Кончик микроволокна будет острым и заостренным в обычных обстоятельствах, но при срабатывании движение пружины будет создавать напряжение, которое изгибает эти микроволокна и увеличивает их площадь контакта с поверхностью стекла или стены. Используя ту же технологию, ученые НАСА изобрели захватные устройства для гекконов для различных применений в космосе. Stickybots и используйте направленные сухие клеи, которые лучше всего работают на гладких поверхностях. Spinybot и робот RiSE относятся к числу роботов, похожих на насекомых, которые вместо этого используют шипы. У альпинистских роботов есть несколько ограничений. Они не могут справиться с большими препятствиями, так как они негибкие и требуют большого пространства для перемещения. Обычно они не могут взбираться как по гладкой, так и по шероховатой поверхности, а также не могут справиться с вертикальными и горизонтальными переходами.

Прыжки

Одна из задач, которые обычно выполняют самые разные живые организмы, - это прыжки . Бхарал , зайцы , кенгуру , кузнечик , блоха и саранча - одни из лучших прыгунов. В EPFL был разработан миниатюрный прыгающий робот весом 7 г, вдохновленный саранчой, который может прыгать до 138 см. Событие скачка вызывается снятием напряжения пружины. Миниатюрный робот с самым высоким прыжком, вдохновленный саранчой, весит 23 грамма, а его самый высокий прыжок до 365 см - это TAUB (Тель-Авивский университет и инженерный колледж Брауде). Он использует торсионные пружины в качестве накопителя энергии и включает в себя проволочный и фиксирующий механизм для сжатия и освобождения пружин. ETH Zurich сообщил о создании робота для мягкого прыжка, основанного на сжигании метана и веселящего газа . Тепловое расширение газа внутри мягкой камеры сгорания резко увеличивает объем камеры. Это заставляет 2-килограммового робота подпрыгивать на 20 см. Мягкий робот, вдохновленный игрушкой из разноцветных полиуретанов, после приземления переориентируется в вертикальное положение.

Классификация поведения (водное передвижение)

Плавание (рыбалка)

Подсчитано , что при плавании некоторых рыб может достигнуть пропульсивную большую эффективность , чем 90%. Кроме того, они могут ускоряться и маневрировать намного лучше, чем любая искусственная лодка или подводная лодка, и производят меньше шума и помех от воды. Поэтому многие исследователи, изучающие подводных роботов, хотели бы скопировать этот тип передвижения. Яркими примерами являются роботизированная рыба G9 из Университета Эссекса и робот-тунец, созданный Институтом полевой робототехники для анализа и математического моделирования грозового движения . Aqua Penguin, спроектированный и изготовленный немецкой компанией Festo, копирует обтекаемую форму и движение передних «ласт» пингвинов . Компания Festo также создала модели Aqua Ray и Aqua Jelly, которые имитируют движения ската манты и медузы соответственно.

Роботизированная рыба: iSplash- II

В 2014 году iSplash- II был разработан докторантом Ричардом Джеймсом Клэпхэмом и профессором Хуошенг Ху из Университета Эссекса. Это была первая рыба-робот, способная превзойти настоящую рыбу- панцирь с точки зрения средней максимальной скорости (измеряемой в длинах тела в секунду) и выносливости - продолжительности поддержания максимальной скорости. Эта сборка достигла скорости плавания 11,6BL / s (то есть 3,7 м / с). Первая сборка, iSplash -I (2014), была первой роботизированной платформой, в которой применялось плавательное движение в форме каранги, которое, как было обнаружено, увеличивало скорость плавания на 27% по сравнению с традиционным подходом с задним ограничением формы волны.

Морфологическая классификация

Модульный

Honda Asimo: робот-гуманоид

Модульные роботы обычно способны выполнять несколько задач и особенно полезны для поисково-спасательных или исследовательских миссий. Некоторые из представленных роботов в этой категории включают робота, вдохновленного саламандрой, разработанного в EPFL, который может ходить и плавать, робота, вдохновленного змеями, разработанного в Университете Карнеги-Меллона, который имеет четыре различных режима наземного передвижения, и робот, вдохновленный тараканами, может бегать и лазать. на разнообразной сложной местности.

Гуманоид

Гуманоидные роботы - это роботы, похожие на людей или вдохновленные человеческим обликом. Существует много различных типов роботов-гуманоидов для таких приложений, как личная помощь, прием, работа в промышленности или товарищеские отношения. Этот тип роботов также используется в исследовательских целях и изначально был разработан для создания более совершенных ортезов и протезов для людей. Петман - один из первых и наиболее совершенных роботов-гуманоидов, разработанных в Boston Dynamics. Некоторые из гуманоидных роботов, такие как Honda Asimo, находятся в чрезмерном возбуждении. С другой стороны, есть роботы-гуманоиды, такие как робот, разработанный в Корнельском университете, у которых нет приводов и которые пассивно спускаются по пологому склону.

Роение

Коллективное поведение животных интересовало исследователей уже несколько лет. Муравьи могут строить конструкции, похожие на плоты, чтобы выжить на реках. Рыбы могут более эффективно ощущать окружающую среду в больших группах. Робототехника Swarm - довольно новая область, и цель состоит в том, чтобы создавать роботов, которые могут работать вместе и передавать данные, создавать структуры в составе группы и т. Д.

Мягкий

Мягкие роботы - это роботы, полностью состоящие из мягких материалов и перемещаемые под действием пневматического давления, как осьминоги или морские звезды . Такие роботы достаточно гибкие, чтобы перемещаться в очень ограниченном пространстве (например, в теле человека). Первые мультигейтовые мягкие роботы были разработаны в 2011 году, а первый полностью интегрированный независимый мягкий робот (с мягкими батареями и системами управления) был разработан в 2015 году.

Languages

In other projects