Современные технологии робототехники постепенно превращаются из статичных и специализированных механизмов в динамичные и адаптивные системы, способные самостоятельно преобразовываться и взаимодействовать с окружающей средой. В этом контексте концепция модульных роботов, состоящих из отдельных взаимосвязанных элементов, получила особое развитие. Одним из самых перспективных направлений стало использование принципов тенсегрити - структур, сочетающих жесткие стержни и гибкие натянутые элементы, обеспечивающие высокую прочность при минимальном весе и способность к деформации. Совмещение тенсегрити с модульной робототехникой хранит потенциал для создания легких, гибких и самособирающихся роботов, которые могут выполнять множество функций в условиях, где традиционные роботы оказываются бессильны. Ключевая особенность таких систем заключается в гибкости каждого модуля, представленного тенсегрити-блоком с девятим 3D симметричным строением, основанным на центральном шарнирном сочленении из TPU-полиуретана и восьми углеродных стержнях.
Комбинация стержней с натянутыми струнами, регулируемыми моторами, позволяет изменять форму каждого блока, сокращать его размер для транспортировки, а затем разворачивать и соединять с другими блоками для создания объемных конфигураций. При весе около 1.2 кг и габаритах чуть более полуметра в длину сторона модуля обладает впечатляющей прочностью, способной выдерживать нагрузки порядка 13 раз превышающие собственный вес. Такие роботы работают на встроенных аккумуляторах, обеспечивающих несколько часов автономной деятельности. Моторы, расположенные в торцах каждого блока, управляют длиной натянутых тросов, что приводит к деформации конструкции и реализации необходимых движений - ходьбе, хватанию, сборке.
Важной инновацией становится активный механизм крепления на магнитах с механической блокировкой, обеспечивающий надежное, энергоэффективное и контролируемое соединение между блоками. Магнитное взаимодействие способствует упрощению стыковки с некоторой степенью свободы по углам, а само затягивание фитингов гарантирует стабильность всей сборки. Самостоятельная сборка 3D-структур в реальном времени - главная демонстрация эффективности тенсегрити-модулей. Роботы способны двигаться по сложной местности, строить мосты через препятствия, возводить временные укрытия, соархаинжировать активные архитектурные системы с возможностью динамической трансформации. Для транспортировки и вертикальной сборки используют беспилотные летательные аппараты с грузоподъемностью, соответствующей массе модулей; благодаря малому весу и прочности, блоки можно свободно сбрасывать с высоты до 3 метров без повреждений.
Управление роботами построено на сочетании локальных алгоритмов синхронизации и глобального видения. Камера, установленная на дроне, отслеживает положение и ориентацию каждого блока с помощью цветовых меток, обрабатывает данные для планирования движений и стыковки. Особенность пространственной симметрии блоков упрощает алгоритмы поиска пути и позволяет использовать ограниченный набор базовых движений для соединения с другими модулями или обхода препятствий в сложной среде. Автоматизация процесса собирания конструкций сочетается с возможностью вмешательства оператора, например, при вертикальной сборке. Деформируемость блоков обогащает функционал роботов.
Они способны адаптироваться к различным условиям, подстраиваясь под форму местности, сжиматься для прохождения узких щелей, а также использовать целый корпус для манипуляции предметами. Помимо классического захвата, реализован бесхватательный перенос объектов при помощи движений по типу волны через сцепленные элементы, что помогает транспортировать как сферы, так и цилиндры или даже нестандартные грузовые формы. Такая универсальность расширяет применение роботов, позволяя им действовать в спасательных миссиях или складской автоматизации. Стоит отметить, что помимо разработки самого аппарата, важным аспектом выступает анализ нагрузок и устойчивости созданных структур. Вычислительные методы с использованием матриц жесткости позволяют предсказывать критическую нагрузку на конструкции в различных конфигурациях, будь то горизонтальные связки или вертикальные стеки.
Экспериментальные испытания подтверждают совпадение с расчетными данными, показывая достаточный запас прочности для практических задач. Разрабатывается стратегия повышения грузоподъемности за счет материала или размерных модификаций, что открывает перспективы для поддержания веса человека или крупногабаритных объектов. Переход к использованию таких роботов в реальных условиях связан с рядом вызовов. Внешние факторы, как изменения температуры или освещения, влияют на систему управления и энергоэффективность. Ветер и непогода ограничивают возможности дронов при вертикальной сборке.
Технологии сенсоров и локализации требуют дальнейшего совершенствования для повышения автономности и масштабируемости. Промежуточным решением может стать развитие распределенных систем с датчиками каждого модуля и взаимодействием по протоколам малой пропускной способности, что позволит оптимизировать координацию движений и снизить зависимость от внешних устройств. Долгосрочные перспективы видятся в интеграции современных методов искусственного интеллекта, таких как обучение с подкреплением и предсказательное управление. Они призваны превратить блоки из простых исполнительных звеньев в интеллектуальные агенты, способные самостоятельно адаптироваться к разнообразным задачам и средам. Алгоритмы обучения на основании симуляций с последующим переносом знаний на аппаратное обеспечение позволят повысить эффективность и надежность.
В совокупности, модульные тенсегрити-роботы представляют собой уникальное сочетание легкости, прочности, мобильности и функциональной универсальности. Их формируемые структуры способны адаптироваться, трансформироваться и выполнять множество задач - от строительства временных убежищ до транспортировки грузов и проведения спасательных операций. Такие системы открывают новые горизонты применения в экстренных службах, строительстве, военной сфере и исследованиях труднодоступных территорий. С каждым этапом развития технологий и материалов увеличивается потенциал использования тенсегрити-модулей в комплексных роботизированных системах. В ближайшем будущем автономные, масштабируемые и самоуправляемые сети из таких блоков могут стать основой для робототехнических решений, способных кардинально менять подходы к созданию инфраструктуры и взаимодействию с окружающим миром.
Исследования продолжаются, а разработчики уверены, что подобные трансформируемые, легковесные и самосборные структуры сыграют ключевую роль в эволюции робототехники нового поколения. .
