Мягкая робототехника

Цель мягкой робототехники — создание роботов с физически гибкими корпусами и электроникой. В некоторых случаях гибкость ограничивается определёнными зонами механизма. Например, жёсткие роботизированные руки могут использовать мягкие концевые эффектора для захвата и манипулирования хрупкими или неправильно сформированными объектами^[2]. Большинство мобильных роботов также применяют мягкие элементы, например, прокладки на ступнях для амортизации или гибкие суставы для хранения/высвобождения энергии. Тем не менее, ядром мягкой робототехники является создание машин, полностью или преимущественно состоящих из мягких материалов. Такие роботы способны сгибаться и проникать в пространства, недоступные для жёстких конструкций, что важно, например, в ликвидации последствий катастроф. Они также более безопасны для взаимодействия с человеком и могут использоваться внутри человеческого тела^[3].

Вдохновением для мягких роботов часто выступает природа, так как животные преимущественно состоят из мягких тканей и эффективно используют их для движения в сложных средах^[4]. Из-за этого многие мягкие роботы моделируются по образцу хорошо известных биологических организмов, например осьминогов. Однако из-за низкой механической жёсткости проектировать и управлять мягкими роботами чрезвычайно сложно. Классические методы и математические инструменты, разработанные для жёстких тел, неприменимы. Поэтому при разработке мягких роботов широко используются автоматизированные инструменты, включая эволюционные алгоритмы, позволяющие одновременно оптимизировать форму, материалы и управляющие системы под конкретные задачи^[5].

Растительные клетки способны генерировать гидростатическое давление за счёт осмотического потенциала; при этом регулировка концентрации ионов приводит к изменению объёма и формы клетки. Такой принцип применим в мягкой робототехнике для создания материалов, меняющих форму под действием жидкости. Следующее уравнение^[6] описывает скорость изменения объёма клетки:

${\displaystyle {\dot {V}}=AL_{p}(-\Delta P+\Delta \pi )}$

${\displaystyle {\dot {V}}}$ — скорость изменения объёма,

${\displaystyle A}$ — площадь мембраны,

${\displaystyle L_{p}}$ — гидравлическая проводимость материала,

${\displaystyle \Delta P}$ — изменение гидростатического давления,

${\displaystyle \Delta \pi }$ — изменение осмотического потенциала.

Этот принцип реализован в мягких роботах, где используются смолы с полупроницаемыми мембранами. Полупроницаемость обеспечивает транспорт жидкости и образование давления, что ведёт к изменению формы

Ещё один природный механизм — гига-реакция (hygroscopic) изменения формы: клетки растений реагируют на влажность, увеличиваясь при высокой и сжимаясь при низкой влажности. Такой объёмный эффект известен для пыльцы^[7] и чешуек сосновых шишек^[8].

Аналогичные гидравлические суставы разрабатываются по аналогии с движением паукообразных, где перемещение суставов осуществляется за счёт компрессии гемолимфы.

Обычные методы производства (фрезерование, сверление) мало пригодны для изготовления мягких роботов из-за их сложных деформируемых форм. Поэтому развиты специальные методы: Shape Deposition Manufacturing (SDM), Smart Composite Microstructure (SCM) и 3D-многоматериальная печать^[1].^[9]

SDM — вид быстрого прототипирования, при котором материал сначала наносится, затем обрабатывается, в него внедряют заданные структуры, далее добавляют опоры и снова обрабатывают до нужной формы^[9]. Встраиваемые схемы включают датчики и актуаторы; успешно реализовано внедрение управляющей электроники непосредственно в полимеры (например, Stickybot^[10] и iSprawl^[11]).

SCM — процесс, в котором жёсткие элементы из углепластика (CFRP) сочетаются с эластичными полимерными связками, соединяя каркас с помощью лазерной резки и ламинирования. Такой подход применяется для производства мезороботов, где полимерные шарниры заменяют классические пиновые^[9].

Аддитивное производство (3D-печать) позволяет печатать силиконовые чернила (методом прямого чернильного письма, DIW, или роболитьё)^[12]. Это позволяет производить эластомерные приводы с заданными локальными характеристиками, а также создавать пневматические силиконовые приводы с заданной программируемой архитектурой^[13].

Печатью создано множество функциональных мягких роботов: сгибающиеся, скручивающиеся, захватывающие, сжимающиеся. Метод избавляет от деламинации, характерной для клеевых соединений. Аддитивно производят и полимеры, меняющие форму под действием воды, света или тепла, например, за счёт струйной печати на полистироле с реактивными чернилами^[14].

Реализовано быстрое прототипирование полимеров с памятью формы: каркас и шарнир печатаются из разных материалов, а затем шарнир нагревается выше температуры стеклования, что позволяет многократно изменять форму^[14].

Для приведения мягких роботов в движение необходимы специальные исполнительные механизмы, способные создавать реакцию без жёсткого каркаса. Для изгиба нужно создать разницу напряжений по элементу, чтобы вызвать желаемое искривление. Существуют различные методы управления, каждый со своими плюсами и минусами.

Одним из важнейших компонентов мягких роботов являются сенсоры, или мягкие датчики, измеряющие деформацию, положение и жёсткость.

Примеры мягких сенсоров:

• мягкие растягиваемые датчики
• мягкие датчики изгиба
• мягкие датчики давления
• мягкие датчики силы

Основа принципов работы:

• пьезорезистивность (полимеры с проводящими частицами^[22], микрожидкостные каналы с жидким металлом^[23] или ионным раствором^[24])
• пьезоэлектричность^[25][26]
• ёмкостное измерение^[27][28]
• магнитные поля^[29][30]
• оптические потери^[31][32][33]
• акустические потери^[34].

Измеряемые параметры могут использоваться в системах управления.

• Soft Robotics (SoRo)
• Раздел Soft Robotics в Frontiers in Robotics and AI
• Science Robotics

• 2018 Robosoft, первая конференция IEEE International Conference on Soft Robotics, 24–28 апреля 2018, Ливорно, Италия
• 2017 IROS Workshop on Soft Morphological Design for Haptic Sensation, Interaction and Display, 24 сентября 2017, Ванкувер, Канада
• 2016 First Soft Robotics Challenge, 29–30 апреля, Ливорно
• 2016 Soft Robotics week, 25–30 апреля, Ливорно
• 2015 "Soft Robotics: Actuation, Integration, and Applications – Blending research perspectives for a leap forward in soft robotics technology" на ICRA2015, Сиэтл, США
• 2014 Workshop on Advances on Soft Robotics, Robotics Science and Systems (RSS), Беркли, 13 июля 2014
• 2013 International Workshop on Soft Robotics and Morphological Computation, Монте Верита, 14–19 июля 2013
• 2012 Summer School on Soft Robotics, Цюрих, 18–22 июня 2012

В мультфильме Disney Город героев (2014) фигурирует мягкий робот Baymax, созданный как медицинский ассистент. Прототипом послужили реальные разработки, в том числе работы Криса Эткесона из Института робототехники CMU^[51].

В мультфильме Человек-паук: Через вселенные (2018) появляется Доктор Осьминог с мягкороботизированными конечностями.

В 4-й серии Helluva Boss изобретатель Лупти Гупти использует оснастку с мягкими роботизированными щупальцами.