机器人+自然:什么是仿生学以及它如何帮助创造机器狗、机器袋鼠甚至机器蜗牛

机器人+自然:什么是仿生学以及它如何帮助创造机器狗、机器袋鼠甚至机器蜗牛

波士顿动力公司的 Spot 机器人、仿生袋鼠、机器蚂蚁——仿生学让您几乎可以设计任何动物。但是,为什么机器人专家要使用仿生学原理,ITMO 正在进行哪些开发,以及需要什么才能让机器人表现得像动物一样?

仿生学是一种创造材料和设备的方法,科学家可以根据从自然界中获取的灵感来进行设计。这种方法的优点是可以在动植物世界使用的解决方案没有任何人获得专利,因此它们对研究人员是免费的。此外,在漫长的进化历史中,自然界中已经确定了某些结构和机制,以帮助生物在不同的条件下生存。因此,科学家们可以专注于最有效的自然解决方案,根据设计任务对其进行修改,并创造出看起来像外部世界代表的不同机器人。
然而,仿生方法有几个局限性。首先,科学家们还没有能够创造出复制某些动物机制所需的技术和材料。例如,壁虎脚上的微小刷毛会引起粘连,因此它可以粘在任何垂直的光滑表面上并沿着它们爬行。但是研究人员还没有发现那种材料可以制造这种刷毛。
仿生学的第二个限制是自然机制的可扩展性。通常,在纳米世界中使用的想法不能总是转移到宏观世界。因此,科学家们不得不寻找解决应用问题的其他选择。例如,壁虎机器人可以被蜗牛机器人取代,蜗牛机器人也能够在垂直表面上爬行。
最后,为了让机器人真正表现得像动物,必须在有效的控制系统及其组件和设计本身之间建立协同作用。据控制系统和机器人学院的副教授介绍,如果软件和机械驱动部分由一个专家团队共同创建,他们可以看到工作的最终结果应该是什么,就可以做到这一点。

现在我们将代表你们ITMO的“机器人动物园“

ITMO 生物机电一体化和节能机器人国际实验室创造了一个节能跳跃机器人的原型。该设计基于柔性接头和带有串联弹性元件的伺服驱动器。
控制系统与机器人学院的一个本科生团队正致力于创造一种具有独特形态特征的疾驰机器人。该团队的主要任务是开发一种既轻便、灵活、节能又实用的结构。为此,使用了仿生学和形态计算的原理。
该项目的目标是创建一种需要最少控制力(即能量)的设备,同时能够在崎岖的地形上移动,克服障碍并抵抗物理损坏。
能源效率是有效利用有限能源预算的能力。为了节省电动机的控制力,可以进行机器人设计,其中大部分所需的动力学将归因于力学,而控制系统的任务将减少为稳定和补充机器人动力学。这种设计原理被称为形态计算,其中控制律的“计算”在更大程度上是在力学层面实现的,而不是在算法转换层面。
由于机器人中质量的最佳分布、弹性和机构参数的优化,可以获得所需的动力,同时使用较少数量的发动机,而低功率发动机。
此外,为了实现高能效,有必要尽可能减轻机器人的车身重量——摆脱重型结构元件:齿轮、金属轴和轴承。为了解决第二个问题,运用了ITMO 的合作大学特温特大学的研究成果。
在特温特大学,合成具有柔性关节的机构主要是为了提供高精度运动。在 ITMO 大学项目中,合成了一种具有柔性元件的机构,以确保该机构与环境的力相互作用。关节是由聚氨酯 3D 打印的,聚氨酯是一种具有弹性结构的柔性塑料。接头具有三叶几何形状 - 正是它提供了必要的弹性、强度和抗变形参数。
机器人的所有其他部件也由塑料制成:车身部件和所有连接件都是在激光机器上用聚缩醛切割而成,并用塑料夹固定。
跳跃机器人不是最终产品,而是用于测试形态设计方法的对象,特别是柔性关节——这种机器人以前没有以这种方式设计过。此外,疾驰的机器人是研究控制方法和动态系统与环境相互作用的一个很好的例子。
该团队未来的计划是制造一个不仅能在原地跳跃,还能在崎岖地形上完全移动的机器人。为此,有必要合成一个更复杂的腿机构,该机构将能够重新配置运动轨迹。

我们还有别的东西
鱼机器人——牠是由一名 ITMO 毕业生开发的。 牠几乎就像一个真正的人,已经设法在浴缸里游泳,在海里游泳,还参加了机器人机器人比赛。
两个磁铁的机制使机器人“活”起来:一个位于防水外壳内,第二个附在尾鳍上。 该开发可用于研究水和海底的参数 - 即使在北极地区也是如此。

一个由三名大学毕业生组成的团队创造了一个可以在任何倾斜表面上爬行的蜗牛机器人。在它的身体里隐藏着两个螺旋,它们起到腿的作用。上面挂着一组盘子,在运动过程中交替缩回和伸展出蜗牛的身体。为了给机器人设置正确的方向,位于外壳的伺服电机将机器人的前部(蜗牛头)抬高到所需的角度,而机器的其余部分(身体)则在其后移动。该蜗牛的作用之一清洁窗户:在移动时,动物会留下清洁剂。
一位 ITMO 毕业生提出了制作一种不受外部影响的设备的想法。几只动物同时接近了这个角色——一只带壳的乌龟、一只带针的刺猬和一只犰狳,犰狳在角板的帮助下,在自身周围形成一个无法穿透的外壳并见过闭合。最后一个想法被证明是最合适的,因此犰狳机器人的概念诞生了。如果他觉得有什么东西落在他身上或有人在踢他,他会蜷缩成一个球,从而保护他的内部电子元件。当外部力量停止时,它会转回来。当建筑物结构倒塌的可能性很高时,这种机器人可用于搜索和救援行动。

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