В мире робототехники давно существует проблема: машины либо сильные, либо аккуратные, но редко сочетают оба качества. Обычный промышленный манипулятор может поднять двигатель, но раздавит помидор. Деликатный хирургический инструмент не справится с тяжелым грузом. Инженеры искали решение, глядя на металл и схемы, пока не заметили его в документальном фильме о слонах.
Идея родилась у специалиста по мягкой робототехнике, которая смотрела передачу про африканских гигантов. Ее поразила универсальность хобота: одной и той же частью тела слон аккуратно срывает один лист с дерева, а затем перетаскивает тяжелые бревна весом до 300 килограммов. Ни один робот в мире не способен на такое.
Секрет хобота в том, что биологи называют мышечным гидростатом. Внутри нет ни одной кости, зато есть более 100 тысяч отдельных мышц. Такая структура позволяет одновременно вытягиваться, сжиматься, изгибаться и скручиваться в любом направлении. В отличие от человеческой руки, где есть плечо, локоть, кисть и пальцы, хобот — это единая непрерывная система без разделения на «руку» и «захват».
Чтобы понять, как это работает, исследователи обратились к технологиям из киноиндустрии. Они прикрепили к хоботам слонов отражающие маркеры, как в блокбастерах, и снимали движения высокоскоростными камерами в южноафриканском заповеднике. Животные манипулировали предметами разной формы, размера и текстуры, а ученые наблюдали за механикой.
Оказалось, что слоны не управляют каждой из тысяч мышц по отдельности. Их мозг использует ограниченный набор «синергий» — скоординированных групп мышц, которые работают вместе. Например, чтобы дотянуться до лакомства за головой, слон не просто загибает хобот назад. Вместо этого он временно укрепляет верхнюю часть, создавая два «псевдо-сустава», работающих как плечо и локоть. Нижняя часть при этом откидывается назад, чтобы схватить угощение. Это движение было открыто впервые и показало, что хобот может образовывать отдельные участки с собственными суставами по мере необходимости.
Перенести эти наблюдения в робототехнику оказалось сложной задачей. Инженеры сосредоточились на кончике хобота, где у слонов есть два маленьких пальцевидных выступа для тонкой работы. Они использовали 3D-печать, чтобы создать единую конструкцию из мягкой смолы, объединив сенсоры и искусственные мышцы в одну деталь. Внутри находятся пневматические структуры, похожие на воздушные шары: они расширяются и сжимаются при надувании, создавая движение. Сама «рука» напечатана одним непрерывным процессом, без стыков и соединений, что обеспечивает плавность движений.
Прототип уже умеет вытягиваться, сжиматься, изгибаться, а также выполнять щипки и захваты. Он достаточно нежен, чтобы взять виноградину, и достаточно силен, чтобы поднять тяжелый предмет. Главное достижение — один робот теперь может справляться с широким спектром задач без смены насадок и перенастройки.
Практическое применение такой технологии огромно. Мягкий робот может собирать фрукты, не повреждая их, сортировать хрупкую посуду или белье, работать в экологически чувствительных зонах, не нарушая почву и растения. В поисково-спасательных операциях он способен протиснуться сквозь обломки и нащупать выживших. Но главная мечта создателей — помощник для пожилых и инвалидов: один робот, который может и поднять человека с кровати, и передать ему вилку или стакан воды. И, в отличие от металлических машин, мягкая конструкция не пугает людей, с которыми она взаимодействует.
Изображение: фрипик
