Некроботика
Некроботика — направление, основанное на использовании биотических материалов (или тел мёртвых организмов) в качестве компонентов роботов. В июле 2022 года учёные лаборатории Preston Innovation Lab при Университет Райса (Хьюстон, Техас) опубликовали статью в журнале Advanced Science, в которой представили эту концепцию. В работе демонстрировалась возможность превращения мёртвых пауков в робототехнические захваты, управляемые путём подачи сжатого воздуха, который активирует хватательные функции их конечностей[1][2][3][4].
Некроботика использует природную гидравлическую систему пауков и их компактные ноги для создания эффективных и простых захватных устройств. «Некроботический» захват из паука способен поднимать небольшие и лёгкие предметы, выступая альтернативой сложным и дорогостоящим миниатюрным механическим схватам[5].
Предпосылки
Главные преимущества использования тела паука в некроботике обусловлены компактностью устройства ножек и гидравлическим механизмом их действия[6][7]. Анатомия паука использует простой гидравлический (жидкостный) механизм. Среди мышц ноги паука есть флексоры, естественно сжимающие ноги в состоянии покоя[7]. Для выпрямления и растягивания конечностей пауки закачивают гемолимфу (кровь) через суставы, создавая гидравлическое давление[5][7]. Для сгибания конечностей внешнее усилие не требуется — они сами сворачиваются благодаря строению флексоров.
В июле 2022 года учёные Preston Innovation Lab при Университете Райса опубликовали данные экспериментов по созданию такого захвата. Хотя у мёртвого паука больше не вырабатывается гемолимфа, Тэ Фэй Яп (ведущий автор, выпускник по машиностроению) обнаружил, что ввод воздуха через иглу в головогрудь паука (основная часть тела) даёт тот же эффект, что и гемолимфа. Таким образом, исходная гидравлическая система фактически превращается в пневматическую (на воздухе).
Изготовление
- Взять паука.
- Усыпить паука при низкой температуре (около −4 °C) на 5–7 суток.
- Ввести иглу (калибр 25) в головогрудь паука.
- Обмазать иглу клеем для герметизации и дать высохнуть.
- Подключить шприц или насос к игле.
- Надуйте паука воздухом, чтобы разогнуть ноги.
Испытания и данные
Внутреннее давление и сила захвата
Обычное давление в ногах паука в состоянии покоя составляет 4–6,1 кПа. В опытах ноги разгибались при увеличении внутреннего давления до 5,5 кПа. Закачка воздуха в тело увеличивает давление, что приводит к разгибанию ног. Удаление воздуха снижает давление, и ноги сворачиваются под действием мышц-сгибателей. При снижении давления до 0 кПа захват полностью смыкается и может хватать предметы. Таким образом, уменьшение внутреннего давления увеличивает силу захвата, а её повышение — ослабляет. Моделируя это на отдельных шариках из ацетата, определяли максимальную силу схвата: она составила 0,35 миллиньютона[5].
Масса паука и сила захвата
Чтобы оценить силу захвата у пауков разных размеров, сравнивали массу тела с силой, возникающей в конечностях. Для волк-паука сила хвата близка к его весу. Масса манипулятора составляет 33,5 мг — он способен поднять предмет, в 1,3 раза превышающий его массу (43,6 мг или 0,35 мН). У более крупных пауков относительная сила схвата падает: например, у гигантского паука-птицееда (200 г) она составит только 10% его веса (20 г или 196 мН)[5]. Хотя при увеличении массы паука относительная сила схвата уменьшается, абсолютная сила хвата у крупных особей выше, чем у мелких.
Долговечность захвата
Работоспособность некроботического захвата полностью зависит от прочности покровов паука. Если суставы быстро разрушаются, устройство становится непрактичным. В циклических испытаниях показано, что такой захват выдерживает от 700 до 1000 срабатываний[5]. После 1000 циклов на мембранах в сочленениях начинают образовываться трещины (из-за высыхания). Это приводит к поломкам и необходимости замены, что затрудняет массовое применение некроботики.
Одним из решений считается обработка суставов воском или смазкой. За 10 суток масса незащищённого паука уменьшалась в 17 раз быстрее, чем у обработанного пчелиным воском. Смазка препятствует высыханию и замедляет разрушение органики.
Применение
Некроботика может служить быстрой и точной альтернативой механическим деталям сложной формы. Малые механические захваты обычно дороги и сложны, тогда как создание пневматических «пауков-захватов» возможно менее чем за 30 минут, а их ресурс достигает 1000 циклов. Такие решения подходят для деликатной укладки материалов и для перемещения лёгких предметов на ограниченном пространстве; в частности — для операций с микродеталями и в микроэлектронике.
Кроме захватов из пауков, других реализованных робототехнических концепций в рамках некроботики пока не существует. В перспективе ожидаются гибридные системы с использованием мягкой робототехники и электрических стимулов для оживления органики. Ещё одно развитое направление — применение естественных костных структур для размещения робототехнических систем.
Ограничения
Использование органических материалов сопряжено с ускоренным разрушением и разложением компонентов по сравнению с классическими механическими системами. Для поддержания работоспособности требуется их частая замена и обслуживание. Кроме того, видовые отличия и биологические особенности пауков приводят к разбросу характеристик: например, сила хвата и подвижность ног могут варьироваться.
Существуют и моральные дилеммы, связанные с умерщвлением пауков ради робототехнических экспериментов. Этические границы, которые расширяет некроботика в стремлении к био-гибридным системам, вызывают беспокойство: критики считают, что это может привести к гибридизации млекопитающих и нарушению природных границ[8]. Сторонники отвечают, что использование погибших животных для нужд человека практиковалось тысячелетиями, а некроботика способствует развитию науки[8].
Примечания
Литература
- Yap, Te Faye; Liu, Zhen; Rajappan, Anoop; Shimokusu, Trevor J.; Preston, Daniel J. Necrobotics: Biotic Materials as Ready-to-Use Actuators // Advanced Science. 2022. Vol. 9, № 29. e2201174. doi:10.1002/advs.202201174.