Разработка роботов M-blocks

Молодой инженер Джон Романишин (John Romanishin) создал действующих роботов, функционирование которых совсем недавно считалось абсолютно невозможным. Профессора робототехники были уверены в бесперспективности конструирования подобных моделей.

Уникальность «кубиков» M-Blocks заключается в их способности передвигаться несмотря на отсутствие внешних подвижных частей. Роботы умеют перемещаться по ровной и наклонной поверхности, могут соединяться друг с другом и выполнять самосборку.

Два года назад, будучи студентом MIT, Романишин впервые предложил идею собирающихся самостоятельно модульных роботов. В то время его куратором была профессор Даниэла Рус (Daniela Rus). Она рассказала Джону о подобных разработках в рамках проекта Molecule. Более сложные механизмы, состоящие из универсальных роботизированных блоков, не могли выполнять самостоятельную сборку по причине наличия выступающих элементов. Было предпринято ряд попыток обойти это ограничение: пробовали делать внешние элементы миниатюрными или выдвижными, предлагалась концепция «скользящей самосборки». Но в результате получалось лишь усложнение конструкции. Даниэла Рус прокомментировала на сайте MIT важность работ в этом направлении:

«Модульные роботы — это будущее. В отличие от специализированных моделей, они универсальны и могут адаптироваться под любые задачи.»

Считается что ближе всех к реализации этой концепции подошла группа Эрика Швайкарда (Eric Schweikardt) из компании Modular Robotics. Однако их самосборка пока не отлажена и часто требует вмешательства человека.

Идея, предлагаемая Джоном, казалась неосуществимой. Профессор Рус сказала: «Это невозможно». Даже когда прототип был практически готов, два года спустя, те же слова произнес профессор Корнеллского университета Ход Липсон (Hod Lipson).

Действительно, как может двигаться куб с шестью гладкими сторонами? Попытка создания такого робота напоминала рассказы барона Мюнхгаузена. Вытащить себя самого за волосы из болота - эффектный ход и эффективное решение. У которого есть всего один «маленький» недостаток: такое невозможно осуществить в реальности.

Любое тело перемещается путем взаимодействия с окружающей средой. Этот общий принцип движения подсказан человеку природой и применяется конструкторами со времен изобретения колеса. Колеса автомобиля и гусеницы тяжелой техники катятся, ноги шагающих роботов отталкиваются, винты создают тягу... А роботы M-Blocks двигаются сами по себе?

Однако их передвижение не противоречит законам физики (в частности третьему закону Ньютона). Дело в том, что Джон и его помощник Кайл Глипин (Kyle Gilpin) точно рассчитали условия, позволяющие осуществить давнюю идею. Такой принцип движения тела - путем перемещения массы внутри него - предлагался десятками изобретателей независимо друг от друга и в разных формулировках. Однако ни одна из попыток создать физическую модель так и не увенчалась успехом. Как стало известно теперь, требовалось корректно объяснить наблюдаемые эффекты и учесть множество второстепенных факторов.

Описание такого метода содержится в патенте США 2.886.976, выданном в 1956 году. Вкратце: при соблюдении некоторых условий масса тела, помещенного в объект и совершающего перемещения из стороны «А» в сторону «В» и обратно, способна инициировать поступательное движение объекта в направлении «A->B». Ключевым моментом является подбор параметров внутреннего перемещения массы таким образом, чтобы сила трения скомпенсировала отдачу на первом этапе цикла и удержала объект от движения назад. То есть сила трения позволяет выдержать направление движения, инициированного перемещением внутренней массы. Это значит что движущийся объект по-прежнему зависим от взаимодействия с окружающей средой (поверхностью). Хотя стороннему наблюдателю может показаться что этот кубик передвигается силой магии.

Инерциоиды (таково название типа подобных устройств) были популярными игрушками в семидесятых годах прошлого века. Они практически бесполезны в технике (обычные колеса удобнее), неработоспособны на скользкой поверхности, их функционирование признано неэффективным в условиях невесомости. Последнее подтверждается как результатами эксперимента Роскосмоса «Гравицапа», так и независимыми разработками американцев, которые в результате наступили на те же грабли.

Таким образом, сфера применения M-Blocks чрезвычайно мала, но в некоторых специфических условиях он будет единственно возможным вариантом.

Внутри каждого модуля размещается маховик, который вращается с частотой до 2 000 об/мин. Резкая остановка маховика сообщает кинетический момент кубу, в результате чего он направленно передвигается. М-блоки могут соединяться между собой с помощью магнитов, расположенных на их сторонах и ребрах.

Кайл Глипин - соавтор разработки - комментирует ее особенности:

«Вы можете остановить движение отдельного куба в любой момент времени. Точность его соединения с другими обеспечивается магнитами. Они имеют подвижное крепление и самостоятельно переориентируются разноимёнными полюсами друг к другу. Поэтому кубы могут соединяться любыми сторонами и гранями. Это совершенно уникальная система».

Немного скошенные грани кубов обеспечивают постоянное наличие небольших зазоров, что позволяет легко менять форму, образованную кубами.

Первые «шаги» роботов выглядят не слишком уверенными, но проект пока находится на ранней стадии. В будущем М-блоки смогут не только самостоятельно собирать себя и менять форму. Появятся специализированные блоки - несущие различные датчики, компоненты манипуляторов, источники питания, модули беспроводной связи и т.п.

Подавляющее большинство альтернативных модульных систем чувствительно к утрате своих элементов, они не вернутся на место сами, если отсоединятся во время работы. М-блоки, напротив, способны реконфигурироваться постоянно.

Сейчас команда работает в первую очередь над минитюаризацией блоков. В этом случае станет возможным создание микроскопических роботов, способных собираться самостоятельно в любые макроструктуры: от ручных инструментов до инженерных сооружений. Довольно похоже на частицы «жидкой» модели из второй части «Терминатора» или на «умную пыль», концепцию которой продвигает DARPA.

По словам автора M-blocks, их применение будет возможно исключительно в созидательных целях и произойдет это быстрее, чем мы думаем. Крошки-модули помогут в ликвидации чрезвычайных ситуаций и смогут работать в труднодоступных человеку и обычным роботам местах, перестраиваясь в зависимости от меняющихся условий и восстанавливаясь после повреждений.