Мягкая растущая робототехника

Корпус такого робота состоит из:

1. Основания, где размещаются источник питания, плата управления и катушка с термопластичной нитью.
2. Трубчатого корпуса переменной длины, создаваемого посредством аддитивного производства и отходящего от основания.
3. Кончика («головы»), где происходит отложение нового материала для удлинения трубки, а также размещаются датчики.

В процессе аддитивного производства пластиковая нить из полимолочной кислоты втягивается внутрь трубки робота с помощью мотора, расположенного на кончике. Там нить проходит через нагревательный элемент, становится пластичной и выгибается перпендикулярно направлению роста, осаждаясь на край вращающегося диска, обращённого к основанию. По мере вращения диска (так называемой головки осаждения) нить накладывается спирально слой за слоем, затвердевает перед предыдущим слоем, продвигая кончик робота вперёд^[2]. Взаимодействие температуры нагревателя, скорости вращения диска и подачи нити жёстко контролируется, чтобы обеспечить желаемую траекторию роста^[7].

Скорость роста робота управляется изменением температуры нагревательного элемента, скорости подачи нити и скорости вращения головки осаждения. Скорость может быть определена формулой:

${\displaystyle S={\frac {L_{d}}{\sqrt {{\frac {1}{(\operatorname {tg} \alpha )^{2}}}+1}}}}$

где ${\displaystyle L_{d}}$ — толщина наносимого слоя нити, ${\displaystyle \alpha }$ — угол наклона спирали выкладывания.

Направление роста («движения») регулируется двумя способами:

1. Изменением толщины нити, отложенной на одной стороне головки осаждения (отклонение кончика в противоположную сторону).
2. Изменением числа слоёв нити на одной стороне путём частичного вращения диска для добавления дополнительного материала в определённом секторе (отклонение кончика от стороны с лишними слоями). Например, диск может обычно вращаться по часовой стрелке, затем повернуться против неё на 1 рад и вернуться обратно; в этом секторе оказываются дополнительные два слоя^[2].

Одно из ключевых преимуществ растущих роботов — минимальное трение между их корпусом и окружающей средой, так как перемещается только кончик робота^[2][8]. Множество роботов, использующих аддитивное производство для роста, разрабатывались для рытья в грунте — минимальное трение позволяет сократить затраты энергии^[2][7].

• На поверхности прототип достигал скорости роста 1,8–4 мм/мин., максимальный угол изгиба — 1,28 градуса в минуту, а усилие — до 6 кг^[2].
• В аналогичных условиях другой прототип развивал скорость 3–4 мм/мин., мог пассивно поворачивать на 40° в 100% случаев и на 50° — в 60% (под пассивным поворотом подразумевается изгиб за счёт взаимодействия с наклонной поверхностью и свойств материала нити)^[7].

В отличие от аддитивного производства, где новый материал откладывается позади кончика и формирует тело, конструкция с удлинением использует внутреннее давление для выдавливания материала именно в кончике. Обычно трубка хранится на катушке внутри корпуса, что облегчает управление подачей материала и ростом^[3].

Существуют различные методы управления поворотами робота:

1. Пережимание внутренней трубки корпуса и фиксация с помощью защёлок. Для выполнения поворота защёлка отпускается, и на этой стороне выпускается больше материала; внутреннее давление удлиняет одну сторону больше, робота уводит в противоположную сторону. Для прямого роста все защёлки закрыты или открыты одновременно. Защёлки управляются своим дополнительным надувным каналом, прикреплённым к основному материалу.
   • Если канал защёлки не надут, защёлка держится закрытой давлением.
   • Если канал надут, но защёлка расположена на прямом участке, она не откроется из-за наклонных крючков.
   • Если канал надут, и защёлка находитcя на изгибе (кончик), крючки расходятся, защёлка отпускается.
2. Установка вдоль корпуса дополнительных трубок, периодически пережимаемых; при нагнетании воздуха трубы сжимаются по длине и изгибают робота в нужную сторону.

Роботы с удлинением кончика могут быть втянуты обратно; современные конструкции используют трос, протянутый к кончику и позволяющий втянуть робота в исходное положение^[3].

Теоретическая сила роста кончика описывается выражением:

${\displaystyle F_{driving}=PA}$

где ${\displaystyle F_{driving}}$ — сила роста, ${\displaystyle P}$ — внутреннее давление, ${\displaystyle A}$ — площадь сечения кончика. Экспериментально сила меньше из-за осевой тяги корпуса. Более точная модель:

${\displaystyle F_{driving}=PAk-[YA+F_{v}]-[F_{l}+\Sigma _{i}F_{Ci}]}$

Здесь ${\displaystyle k}$ — экспериментальная константа, ${\displaystyle Y}$ — давление текучести (при котором рост не происходит), ${\displaystyle F_{v}}$, ${\displaystyle F_{l}}$ и ${\displaystyle F_{Ci}}$ — силы, зависящие от скорости, длины и кривизны соответственно^[8].

Разработаны также математические модели изгиба, скручивания и втягивания таких роботов^[1][3].

Малоинвазивная хирургия подразумевает работу в замкнутых, чувствительных областях (например, внутри тела человека), где гибкие растущие роботы демонстрируют очевидные преимущества и управляемость^[4]. Магнитные роботы могут применяться для сложных эндоскопических манипуляций (например, ретрофлексии) и забора биоматериала с помощью встроенной цитологической щётки^[14][15]

Для исследования коралловых рифов роботы могут проникать в узкие ходы, используя сенсоры (оптические, расстояния и др.), не повреждая экосистему^[3]. При бурении грунта гибкие растущие роботы эффективнее по энергозатратам, чем методы, при которых перемещается всё тело робота, так как трение при передвижении испытывает только кончик^[2][7][8].

Растущие роботы могут использоваться в поисково-спасательных операциях для проникновения в узкие полости и поиска людей под завалами. В 2025—2026 годах прошли испытания робота SPROUT (Soft Pathfinding Robotic Observation Unit). Благодаря конструкции «робота-лозы» он способен расти, огибать препятствия, исследовать завалы, составлять их карту и находить оптимальные пути доступа для спасательных команд^[16].

Технологии мягкой робототехники, в частности мягкие захваты, применяются для деликатной работы с хрупкими объектами в различных отраслях. В пищевой промышленности они используются для сортировки и упаковки продуктов без их деформации, в логистике и складской автоматизации — для захвата и перемещения посылок нестандартной формы, а в сельском хозяйстве — для автоматизированного сбора деликатного урожая без повреждений^[17][18]. В октябре 2025 года Сеченовский университет запустил мелкосерийное производство пневматических мягких захватов, предназначенных для высокоточной промышленности и медицины^[19].

Гибкие растущие роботы могут использоваться в качестве несущей структуры антенны: робот может расти в спиральную форму с прикреплённой антенной, оптимальной для приёма и передачи сигналов.