Современные технологические достижения стремительно меняют представление о возможностях роботов, особенно в сфере модульных систем. Одним из наиболее перспективных направлений является разработка модульных роботов, способных менять свою форму и самостоятельно собираться в сложные структуры. Особое внимание уделяется интеграции принципов торсионной целостности - tensegrity, что позволяет создавать лёгкие, прочные и адаптируемые блоки, способные как к движениям, так и к строительству крупных активных объектов. Традиционные роботы ограничены своей специализацией - многие из них разработаны для выполнения узких задач в контролируемых условиях. Однако в чрезвычайных ситуациях, где требуется быстрая адаптация к неизвестной и изменяющейся среде, необходимы системы с высокой гибкостью и универсальностью.
В этом контексте модульные роботы с изменяемой формой механически напоминают живые системы, например, колонии муравьёв, которые связывают свои тела для построения мостов или плотиков, демонстрируя коллективное решение сложных задач. Ключевое преимущество модульных роботов с использованием торсионных блоков заключается в сочетании трёх важных функций. Во-первых, эти роботы могут эффективно передвигаться по различным типам местности, используя способность изменять конфигурацию своего корпуса. Во-вторых, они способны манипулировать объектами различной формы и размера, включая как цепкое удержание, так и нежесткую транспортировку. В-третьих, они сами строят активные трёхмерные структуры, такие как мосты, шатры и строительные леса, которые можно адаптировать и перемещать по мере необходимости.
Дизайн каждого отдельного блока представляет собой уникальную архитектуру из восьми жёстких стержней, сцеплённых гибким центральным шарниром из термопластичного полиуретана. Этот блок является классом-8 tensegrity-структуры, где стержни соединены натянутыми шнурами с регулируемой длиной, приводимыми в движение небольшими встроенными моторами. Такая конфигурация обеспечивает удивительную прочность при очень низком весе - каждый блок весит около 1.2 килограмма при размерах чуть более полуметра в длину стороны. Лёгкость и гибкость этих модулей открывают возможность их быстрого и надёжного развертывания, включая доставку с помощью беспилотных летательных аппаратов.
Способность блоков к самораскладыванию и трансформации позволяет им занимать минимальное пространство при транспортировке, а на месте - принимать необходимую конфигурацию. Благодаря встроенным магнитным и механическим замкам, блоки могут безошибочно притягиваться и надежно фиксироваться друг с другом, допуская некоторую степень неточности при сближении благодаря системе магнитного выравнивания. Основной метод управления основан на сложном алгоритме планирования движения и контроля, который позволяет роботам самостоятельно ориентироваться и передвигаться по сложным и непредсказуемым поверхностям. Кроме того, встроенные датчики и коммуникационные модули обеспечивают непрерывное отслеживание состояния блоков и координацию действий в режиме реального времени. Экспериментальные демонстрации подтвердили высокую адаптивность системы.
Например, цепочка блоков может превращаться в мост, который не только выдерживает значительные нагрузки, но и способен к динамическим движениям, позволяя транспортировать предметы поверх него. Другой пример - создание шатровой конструкции, которая при необходимости может уменьшаться для удобной установки и транспортировки, а затем развертываться до полной высоты с обеспечением достаточной жёсткости и стабильности. Роботы способны решать задачи манипуляции, подобно животным, использующим различные стратегии захвата и транспортировки. При физических взаимодействиях с объектами учитывается геометрия контакта и силы, которые могут выдержать материалы и приводы. Тесты с транспортировкой манекена на носилках демонстрируют потенциал подобных систем в спасательных операциях и логистике.
Особое внимание было уделено исследованиям кинематики и динамики передвижения. При проектировании системы управления использованы принципы статики и динамики tensegrity-структур, а также моделирование взаимодействия с разными поверхностями, учитывающее коэффициенты трения и наклоны. Получена высокая степень соответствия между компьютерным моделированием и реальными экспериментами, что позволяет оптимизировать поведение роботов в различных условиях. Размеры и особенности блоков позволяют им успешно работать вне лабораторных условий - на траве, снегу, на неровной почве и даже пересекать водные преграды. Гибкость системы позволяет уменьшать габариты для прохождения в узких пространствах - например, проходить под поваленными стволами или через узкие коридоры, что чрезвычайно важно для поисково-спасательных операций в природных условиях.
Одной из важнейших составляющих успешной работы системы является возможность вертикальной сборки конструкций с использованием беспилотников. Дроны поднимают и доставляют модули к месту сборки, где они самостоятельно или с минимальным управлением оператора соединяются в заданные конфигурации. Такая автономия значительно ускоряет процесс возведения временных сооружений, облегчая работу в труднодоступных местах. Несмотря на значительные успехи, система сталкивается с вызовами, связанными с надёжностью компонентов, условиями окружающей среды и постоянным улучшением автономности. Механическая износостойкость требует совершенствования, включая укрепление карбоновых стержней и использование более долговечных материалов для тросов.
Электронные и программные компоненты нуждаются в повышении устойчивости к энергетическим и коммуникационным сбоям, а чувствительность систем визуального контроля - в адаптации к изменяющемуся освещению и погоде. Путь к полной автономии сопряжён с внедрением более продвинутых сенсорных систем, таких как локальные камеры, LiDAR, а также алгоритмов обработки информации, позволяющих роботам самостоятельно принимать решения о передвижении, соединении и выполнении задач. В перспективе применение методов машинного обучения и управления с предсказанием поведения окружающей среды поможет роботу справляться с неожиданными ситуациями и корректировать свои действия в режиме реального времени. Разработка и внедрение модульных роботов на основе торсионных блоков открывают новые возможности для робототехники. В особенности это актуально для сфер экстренного реагирования, строительства в удалённых или опасных условиях, а также исследований в области биомиметики - изучения и повторения в технологиях эффективных решений из природы.
Самоорганизующиеся структуры, построенные из адаптирующихся компонентов, способны менять свою функциональность и форму, обеспечивая многофункциональность и повышенную надёжность. В ближайшем будущем ожидается рост интереса к подобным системам благодаря их универсальности и потенциальной экономической эффективности. Возможность замены тяжёлых стальных конструкций на лёгкие и гибкие модули, которые можно быстро транспортировать и собирать, позволит оптимизировать процессы строительства и логистики. Кроме того, применение таких роботов в космической сфере - для создания развертываемых сооружений вне Земли - является перспективным направлением, учитывая минимальный вес и возможность адаптации к экстремальным условиям. Таким образом, технология модульных роботов с изменяемыми торсионными блоками знаменует собой качественный скачок в области робототехники.
Сочетание принципов tensegrity, мобильности и адаптивности формирует основу для создания самоорганизующихся систем, которые могут эффективно выполнять задачи в самых разнообразных условиях, от спасательных операций на Земле до строительства в космосе. .
