Эта проблема была решена в рамках междисциплинарного проекта, возглавляемого Прашантом Мехтой и Маттиа Газзолой, профессорами машиностроения в Университете Иллинойса Урбана-Шампейн. Как сообщалось в Труды Королевского общества A, два исследователя и их группы разработали физиологически точную модель мышц рук осьминога. "Наша модель, первая в своем роде, не только дает представление о биологической проблеме, но и является основой для проектирования мягких роботов и управления ими в будущем", - сказал Мехта.

Впечатляющие возможности octopus arms долгое время служили источником вдохновения для проектирования мягких роботов и управления ими. Такие мягкие роботы обладают потенциалом для выполнения сложных задач в неструктурированных средах, безопасно работая рядом с людьми, в самых разных областях применения - от сельского хозяйства до хирургии.

Аспирант Хенг-Шенг Чанг, ведущий автор исследования, объяснил, что системы с мягким телом, такие как руки осьминога, представляют собой серьезную проблему для моделирования и контроля. "Они приводятся в действие тремя основными внутренними группами мышц - продольными, поперечными и косыми, - которые заставляют руку деформироваться несколькими способами - сдвигать, разгибать, сгибать и скручивать", - сказал он. "Это придает мягким мускулистым рукам значительную свободу, в отличие от их жестких аналогов".

Ключевой идеей команды было выразить мускулатуру руки с помощью функции запасенной энергии - концепции, заимствованной из теории механики сплошных сред. Ученый-постдокторант и автор-корреспондент Удит Халдер объяснил, что "Рука опирается на минимум энергетического ландшафта. Мышечные сокращения изменяют функцию накопленной энергии, тем самым изменяя положение равновесия руки и направляя движение."

Интерпретация работы мышц с использованием накопленной энергии значительно упрощает конструкцию управления рукой. В частности, в исследовании описана методология управления формированием энергии для вычисления необходимой мышечной активации для решения задач манипулирования, таких как дотягивание и хватание. Когда этот подход был численно продемонстрирован в программной среде Упругая, Эта модель привела к удивительно реалистичному движению, когда рука осьминога была смоделирована в трех измерениях. Более того, по словам Халдера, "наша работа предлагает математические гарантии производительности, которых часто не хватает в альтернативных подходах, включая машинное обучение".

"Наша работа является частью более широкой экосистемы постоянного сотрудничества в Университете Иллинойса", - сказал Мехта. "Выше по течению есть биологи, которые проводят эксперименты на осьминогах. Ниже по течению есть робототехники, которые берут эти математические идеи и применяют их к реальным мягким роботам ".

Группы Мехты и Газзолы сотрудничали с Ранором Джиллеттом, почетным профессором молекулярной и интегративной физиологии из Иллинойса, чтобы включить наблюдаемую физиологию осьминога в их математическую модель для этого исследования. В будущей работе будут обсуждаться биологические последствия контроля, основанного на энергии. Кроме того, исследователи сотрудничают с Гиришем Кришнаном, профессором проектирования промышленных и корпоративных систем из Иллинойса, чтобы внедрить их математические идеи в проектирование реальных мягких роботов и управление ими. Это не только создаст систематический способ управления мягкими роботами, но и обеспечит более глубокое понимание их рабочих механизмов.

Эта работа была частью проекта CyberOctopus, междисциплинарной университетской исследовательской инициативы в Координируемой научной лаборатории Университета Иллинойса, поддерживаемой Управлением военно-морских исследований.