"Когда вы видите снующую сороконожку, вы, по сути, видите животное, обитающее в мире, который сильно отличается от нашего мира движения", - сказал Дэниел Голдман, профессор семьи Данн в Школе физики. "В нашем движении в значительной степени доминирует инерция. Если я замахиваюсь ногой, я приземляюсь на нее и двигаюсь вперед. Но в мире многоножек, если они перестают шевелить частями своего тела и конечностями, они практически мгновенно перестают двигаться".

Заинтересовавшись тем, могут ли многочисленные конечности быть полезны для передвижения в этом мире, команда физиков, инженеров и математиков из Технологического института Джорджии использует этот стиль передвижения в своих интересах. Они разработали новую теорию многоногой локомоции и создали многоногие модели роботов, обнаружив, что робот с избыточными ногами может передвигаться по неровным поверхностям без каких-либо дополнительных датчиков или технологий управления, как и предсказывала теория.

Эти роботы могут передвигаться по сложной, неровной местности - и есть потенциал для их использования в сельском хозяйстве, освоении космоса и даже в поисково-спасательных работах.

Исследователи представили свою работу в статьях "Перенос вещества на нескольких ногах: основа для передвижения по шумным ландшафтам" в Наука в мае и "Самостоятельное движение с помощью скольжения: плавание с трением в многоногих двигателях", в Труды Национальной академии наук в марте.

Шаг вперед

Для Наука в статье исследователи руководствовались теорией коммуникации математика Клода Шеннона, которая демонстрирует, как надежно передавать сигналы на расстояние, чтобы понять, почему многоногий робот был так успешен в передвижении. Теория связи предполагает, что один из способов гарантировать доставку сообщения из пункта А в пункт В по зашумленной линии - это не отправлять его в виде аналогового сигнала, а разбить его на дискретные цифровые единицы и повторить эти единицы с соответствующим кодом.

"Нас вдохновила эта теория, и мы попытались выяснить, может ли избыточность быть полезной при транспортировке вещества", - сказал Бакси Чонг, аспирант по физике. "Итак, мы начали этот проект, чтобы посмотреть, что произошло бы, если бы у робота было больше ног: четыре, шесть, восемь и даже 16".

Команда под руководством Чонга, в том числе аспирант Школы математики Дэниел Ирвин и профессор Грег Блэкерман, разработали теорию, согласно которой добавление пар ног к роботу увеличивает его способность уверенно передвигаться по сложным поверхностям - концепция, которую они называют пространственной избыточностью. Такая избыточность делает ноги робота успешными сами по себе, без необходимости в датчиках для интерпретации окружающей среды. Если одна нога запинается, обилие ног поддерживает ее в движении, несмотря ни на что. По сути, робот становится надежной системой для транспортировки самого себя и даже груза из пункта А в пункт В по труднопроходимым или "шумным" ландшафтам. Эта концепция сравнима с тем, как можно гарантировать пунктуальность на колесном транспорте, если колея или рельсы достаточно ровные, но без необходимости создавать условия для обеспечения этой пунктуальности.

"Для управления продвинутым двуногим роботом обычно требуется множество датчиков в режиме реального времени", - сказал Чонг. "Но в таких приложениях, как поисково-спасательные работы, исследование Марса или даже микророботы, существует необходимость управлять роботом с ограниченными возможностями восприятия. Есть много причин для такой инициативы без сенсоров. Датчики могут быть дорогими и хрупкими, или окружающая среда может меняться так быстро, что это не обеспечивает достаточного времени отклика датчика и контроллера ".

Чтобы проверить это, Джунтао Хе, аспирант по робототехнике, провел серию экспериментов, в ходе которых он и Дэниел Сото, студент магистратуры Школы машиностроения имени Джорджа У. Вудраффа, создавали ландшафты, имитирующие противоречивую природную среду. Затем он протестировал робота, каждый раз увеличивая количество ног на две, начиная с шести и в конечном итоге расширяя их до 16. По мере увеличения количества ног робот мог более ловко передвигаться по местности даже без датчиков [PGR1], как и предсказывала теория. В конце концов, они протестировали робота на открытом воздухе на реальной местности, где он смог передвигаться в самых разных условиях.

"Поистине впечатляет умение многоногого робота ориентироваться как в лабораторных условиях, так и на открытом воздухе", - сказал Джунтао. "В то время как двуногие и четвероногие роботы в значительной степени полагаются на датчики для передвижения по сложной местности, наш многоногий робот использует резервирование ног и может выполнять аналогичные задачи с помощью разомкнутого контура управления".

следующие шаги

Исследователи уже применяют свои открытия в сельском хозяйстве. Голдман стал соучредителем компании, которая стремится использовать этих роботов для прополки сельскохозяйственных угодий, где средства от сорняков неэффективны.

"Они чем-то похожи на Roomba, но снаружи предназначены для сложного грунта", - сказал Голдман. "Roomba работает, потому что у нее есть колеса, которые хорошо работают на ровной поверхности. До разработки нашей платформы мы не могли с уверенностью предсказать надежность опорно-двигательного аппарата на ухабистой, каменистой, усеянной мусором местности. Теперь у нас есть зачатки такой схемы, которую можно было бы использовать для обеспечения того, чтобы наши роботы пересекали поле за определенное время".

Исследователи также хотят усовершенствовать робота. Они знают, почему конструкция робота-многоножки функциональна, но сейчас они определяют оптимальное количество ног для достижения движения без сенсорного восприятия способом, который является экономически эффективным, но при этом сохраняет преимущества.

"В этой статье мы спросили: "Как вы прогнозируете минимальное количество этапов для решения таких задач?" - сказал Чонг. "В настоящее время мы только доказываем, что минимальное число существует, но мы не знаем точного количества необходимых отрезков. Кроме того, нам нужно лучше понять баланс между энергией, скоростью, мощью и надежностью в такой сложной системе".