Как сделать робота муравья

Обновлено: 07.07.2024

Американские и китайские инженеры разработали прототип миниатюрного мягкого робота размером с насекомое из полимерных материалов, который за счет эффекта электростатического прилипания может передвигаться так же проворно как муравьи и тараканы. Робот движется вперед за счет колебания пьезоэлектрической пленки, которая входит в состав его тела, и совершает повороты за счет электростатических площадок на концах передних ног. Напряжение, подаваемое на ноги робомуравья, способно увеличивать силу трения между ступнями робота и поверхностью по которой он передвигается за счет возникающих при этом электростатических сил. При маневрировании в тестах робот смог достичь величины центростремительного ускорения 28 длин тела на секунду в квадрате, что приближается к значениям характерным для некоторых насекомых, например муравьев. Робот может двигаться по сложным траекториям через лабиринт, преодолевать небольшие препятствия, а также нести на себе полезную нагрузку, превышающую его собственный вес, например газовый сенсор для измерения концентрации опасных веществ в помещении. Статья опубликована в журнале Science Robotics.

Инженеры давно работают над миниатюризацией роботов. Маленькие размеры дают очевидное преимущество при проникновении в недоступные для крупных устройств места. К примеру, миниатюрных роботов планируют использовать для внутренней диагностики оборудования, для разведки, и в операциях спасения для обследования разрушенных в результате землетрясений зданий в поисках выживших людей.

Во многих вариантах практического применения маленьких роботов важны такие характеристики как скорость и маневренность, которые позволяют быстро менять траекторию движения, обходить препятствия и взбираться в труднодоступные места. По этим параметрам многие существующие минироботы до сих пор уступают живым существам схожих размеров, например насекомым. Для роботов, сделанных из мягких материалов, эта проблема еще существеннее, так как недостаточная жесткость конструкции не позволяет точно управлять их движениями.

Американские и китайские инженеры под руководством Ливэй Линя (Liwei Lin) из Калифорнийского университета в Беркли разработали прототип мягкого миниатюрного робота, который при движении использует стратегию, аналогичную применяемой муравьями. Эти насекомые могут изменять силу трения между лапками и поверхностью за счет выделения секрета. Благодаря этому они передвигаются с большой скоростью и могут легко и быстро менять направление движения.

Внешний вид робота, внутреннее устройство и принцип работы ног

J. Liang et al. / Science Robotics, 2021

Значения центростремительного ускорения характерные для некоторых живых существ и роботов

J. Liang et al. / Science Robotics, 2021

Принцип работы актуатора робота под действием пьезоэлектрического эффекта

J. Liang et al. / Science Robotics, 2021

Робот состоит из плоского тела, задней ноги и двух передних ног с площадками в форме капель на концах ног, которыми робот опирается на поверхность. Тело робота имеет размеры 3 сантиметра в длину и 1.5 сантиметра в ширину и вес 65 миллиграмм. Оно состоит из трех полимерных слоев: тонкого слоя поливинилиденфторида (PVDF) толщиной 18 микрометров, обладающего пьезоэлектрическими свойствами, с расположенными сверху и снизу тонкопленочными металлическими электродами (оба электрода из слоев титана и золота), скрепляющего силиконового слоя (25 микрометров) и слоя из полиэтилентерефталата (PET) для придания конструкции упругости. При подведении к электродам тела переменного напряжения с резонансной частотой пьезоэлектрическая пластина начинает растягиваться и сжиматься, изгибаясь периодически то в одном, то в противоположном направлении. В результате робот начинает движение вперед, отталкиваясь от поверхности, расположенными снизу ногами.

Ступни передних имеют форму капель для большего контакта с поверхностью и состоят из полиимида с нанесенным сверху металлическим электродом. Задняя нога — это кусок пленки из PET высотой 3,5 миллиметра, прикрепленный к хвостовой части робота. Подведение управляющих сигналов осуществляется через подключенные к электродам провода.

Прикладывая к передним ногам робота постоянное напряжение, можно изменять силу трения между ступнями робота и поверхностью за счет явления электроадгезии — взаимного притяжения за счет электростатических сил. Когда уровень постоянного напряжения на ногах равен нулю робомуравей движется прямолинейно. Асимметричное изменение уровня напряжения на левой и правой ноге приводит к несимметричности в распределении сил трения между ногами и поверхностью и тем самым становится возможным управлять направлением движения робота.

Тесты, проведенные на поверхности бумаги, металла (сплав InSnBi) и полимера поливинилхлорида, показали, что наибольший вклад в силу трения за счет электростатического прилипания (0,9 миллиньютонов при 250 вольтах постоянного напряжения на ногах) получается на металлической поверхности. При этом на поверхности полимера высокая сила трения даже при нулевом управляющем напряжении на ногах робота достигается за счет сильной шероховатости поверхности.

Разработчики провели ряд тестов на разных поверхностях, чтобы определить маневренность робота. В роли количественной меры было выбрано значение центростремительного ускорения, которое развивает робот при выполнении поворотов. Наибольшее значение удалось получить на металлической поверхности при 250 вольтах управляющего напряжения на ногах робота и амплитуде переменного напряжение 500 вольт. Оно составило 28 длин тела на секунду в квадрате, что выше чем у большинства ранее созданных мягких роботов и сравнимо с лучшими роботами из жестких материалов, а также с насекомыми, в том числе с муравьями. Наибольшая линейная скорость составила 7,5 длин тела в секунду. Кроме того, робот оказался достаточно прочным. Он смог выдержать вес человека (55 килограмм), наступившего на него, после чего продолжить движение, а также преодолевать небольшие препятствия высотой 2,4 миллиметра.

Кроме этого, разработчики представили автономную версию робота, не связанную проводами с источником напряжения. Схема устройства весом 240 миллиграммов аналогична проводной версии с небольшими изменениями, необходимыми для усиления конструкции. При этом робот несет на себе оборудование весом 1,66 граммов: аккумулятор емкостью 40 миллиампер-час, два фотоэлемента и плату с управляющей схемой. Дополнительный вес снизил скорость робота до примерно 1,2 длин тела в секунду. Аналоговая схема с подключенными к ней с противоположных сторон корпуса фотоэлементами позволяет управлять напряжением на ногах робота с помощью лазерного луча. Засветка лучом лазера фотоэлемента с одной стороны приводит к повороту робота в противоположном направлении.

Мальчиков трудно увлечь творчеством. Они ни за что не согласятся вырезать цветочки из бумаги и делать из них аппликации. Но если эта поделка – робот, то тут уж вы сынишку не оттащите от стола, ведь он так увлечется работой, что будет предлагать разные новые варианты.

Робот из картонных коробок

Если не выбрасывать картонные коробки, а собрать их в достаточном количестве, то можно подбросить ребенку идею сделать чудного робота своими руками. Для работы приготовьте такие материалы:

три коробки из картона разных размеров;
фигурную упаковку от какой-нибудь запчасти;
две круглые формы для кексов из фольги;
синельную проволоку;
два картонных рулона от пищевой фольги;
две основы от новогодней хлопушки;
две бобины от скотча;
два CD-диска.

Приступаем к сборке нового изделия. Прежде всего, коробки следует вывернуть наизнанку, чтобы убрать с глаз долой различные надписи. Можете не выворачивать, но тогда придется обклеить коробки цветной бумагой или фольгой. Самую маленькую коробку – голову – соединяем с самой большой – туловищем при помощи бобины от скотча – шеи. Можно воспользоваться клеем, а можно работать двусторонним скотчем.

Теперь приделываем роботу штанишки – к туловищу приклеиваем коробку средних размеров.

Руки – рулоны от пищевой фольги – и ноги – основы от новогодних хлопушек – привязываем веревками. Посередине на грудь приклеиваем для объемности фигурную упаковку, а штанишки украшаем двумя дисками.

На лицевой стороне головы прорезаем два круга и вставляем в отверстия формы для кексов – это наши глаза. Рот и сигнальные антенны на макушке делаем из закрученной проволоки.

Оставшуюся бобину из-под скотча разрезаем пополам и приклеиваем по бокам головы – это уши нашей игрушки.

Конструкция получится не очень устойчивая, так что можно обуть робота в детские сапожки или ботиночки.

Если малышу захочется, он может украсить своего нового друга аппликацией и даже на следующий день отнести в детский сад, чтобы похвастаться перед одногодками.

Новогодний костюм

Если коробки у вас большие, можно из них сделать маскарадный костюм для ребенка. В этом случае коробку-голову сразу приклеить к коробке-туловищу. На голове вырезать квадратное отверстие, чтобы малыш мог смотреть через него.

Внутри сделать прорезь для головы сынишки. А руки и ножки роботу смастерить из гибких вентиляционных труб, выбрав нужный диаметр.

Робот из пластиковых бутылок

Делать робота можно и из самого простого материала – пластиковых бутылок. Для поделки приготовьте:

непрозрачную бутылку из-под колы;
игрушечное ведерко из набора детской посуды;
две вилки;
три крышечки от пластиковых бутылок;
два колеса от игрушечного автомобиля, соединенные шасси.

Снизу по бокам бутылки проделываем два отверстия, в которые продеваем шасси и прикручиваем колесики. Сгибаем две вилки – это руки – и крепим к туловищу сзади на болты. На голову надеваем ведерко, к которому прикрепляем две крышечки побольше – это глаза, и одну поменьше посередине – это рот. Украшаем робота, как подскажет фантазия.

Из бутылок и скотча

Если предыдущая конструкция показалась вам слишком сложной в изготовлении, можете обойтись методикой попроще. Три 1,5-литровых пластиковых бутылки стяните скотчем, не снимая пробок – это тело робота. К каждой крайней бутылке пробкой к пробке скотчем присоедините еще по одно такой же бутылке – получились ноги.

Разрежьте следующую бутылку пополам, и ту половинку, которая без пробки, примотайте скотчем в средней бутылке – это голова. Голову украсьте двумя пробками – глазами.

Руки можно сделать из поллитровых бутылок, нарезав их сегментами и соединив между собой.

Еще из двух бутылок вырежьте ладони и присоедините их к рукам. Поделка готова!

Робот из крышечек

Довольно интересным получится робот из пластиковых крышечек. Благодаря резинке, скрепляющей все элементы, у него будут двигаться руки и ноги. Предлагаем подробный мастер-класс изготовления трансформера из 22 крышечек:

Для каждой ноги понадобится по 4 крышечки. В первых двух делаем отверстие горячим шилом посередине, в третьей – в донышке, но ближе к краю, а в четвертой проделываем сразу два отверстия – в центре и сбоку.
В резинку с одной стороны вдеваем иголку, а с другой затягиваем плотный узел.
Продеваем две крышки с центральным отверстием, затем идет крышка со сдвинутым центром и крышка с дырой в боковине. Завязываем резинку на узел.
По этой же схеме собираем вторую ногу.
Для изготовления руки проделываем в трех крышечках отверстия по центру, а в четвертой – сбоку.
Вначале протягиваем иголку с резинкой в крышечку с боковым отверстием, затем поочередно – с центральными. Затягиваем резинку на узелок.
Для головы нам понадобится одна крышечка и один колпачок от тюбика из-под зубной пасты. Для туловища – пять крышечек. В двух из них делаем отверстия по центру, в двух других – по два симметричных отверстия по бокам, а в пятой – сразу три отверстия по центру и по бокам.
Стягиваем резинкой крышечку-голову, колпачок от зубной пасты и крышечку с тремя отверстиями. За ними идет крышечка с двумя отверстиями и крышечка с одни отверстием. Две оставшиеся крышечки – плечи – продеваем резинкой в боковые отверстия на туловище.
В крайних крышечках рук проделываем по одному боковому отверстию. Пропускаем резинку сквозь него, затем через плечо и крышечку с тремя отверстиями. Далее – вторая крышка плеча и крайняя крышка второй руки.
Через боковое отверстие в ноге пропускаем резинку, далее она проходит сквозь боковые отверстия нижней крышечки туловища, сквозь боковое отверстие во второй ноге и стягивается.

В принципе, наш робот-трансформер готов. Осталось только добавить ему глаза. Можно сделать отверстия в крышечке-голове, аппликацию или приделать их из пластилина. Роботу понадобится гранатомет. Для этого прекрасно подойдет колпачок от шариковой ручки. Его можно прикрепить к руке, поместить за спину или поставить на плечо.

Робот из консервных банок

Красивый робот получается из консервных банок. Нужно вставить одну банку в другую. Руки и ноги сделать из металлических крышечек, которыми закрываются стеклянные поллитровые бутылки с напитками. Просверлив в центре каждой крышечки отверстие, их нужно стянуть между собой на проволоку, закрепив концы. Спереди на корпус робота прикрутить болтами две такие же крышечки.

На верхней банке вырезать отверстие – рот, прикрутить два болта – глаза. А уши сделать из кругов из фольги, закрепив их по бокам так, чтобы они торчали в разные стороны.

Не забудьте сделать фото вашей работы поэтапно и выложите на свою страничку в соцсеть. Пусть посетители позавидуют вашим умениям, а, может, даже переймут неординарный опыт.

Машины будущего

По сути, в лаборатории Жданова занимаются тем, что воспроизводят нервные системы живых организмов. У каждой такой машины (вездехода, вертолёта и т. п.) есть свой адаптивный мини-мозг - сложная сеть специальных самообучаемых нейронов, которые, как полагают авторы, имитируют алгоритм клеток настоящего мозга. Но Александр Жданов уверен: самые интересные открытия и разработки ещё впереди.

«Система более эффективна, если это будет не один робот, а целая команда. И каждый помимо собственного, автономного, интеллекта будет обладать частью распределённого мозга, некоего сервера, который управляет всей популяцией. Ведь такой же принцип, как убеждают некоторые учёные, действует и в живой природе, в том числе в человеческих сообществах, понимаете? - Александр Аркадьевич берёт паузу, и мне кажется, я слышу скрип снега под ногами охотников с репродукции Брейгеля. - Возьмём одного муравья. Сам по себе он ничего не представляет: нейронов мало, деятельность примитивна.

Через какой канал всё это передаётся, пока непонятно. Но в целом создание искусственных организмов с адаптивным поведением - лишь вопрос времени, уверены учёные.

Профессор Ясемин Озкан-Айдын напечатал на 3D-принтере четвероногих роботов, которые могут работать вместе, чтобы коллективно решать такие проблемы, как преодоление пропасти. Об этом говорится в работе, опубликованной в журнале Science Robotics.

Каждый из созданных роботов имеет длину от 15 до 20 см и включает в себя литий-полимерную батарею, микропроцессор, установленный спереди датчик освещенности, еще один магнитный датчик касания спереди и другой сзади. Когда бот застревает в тестовых объектах — деревянных блоках, приклеенных к ДСП, — он по беспроводной сети посылает сигнал другим роботам, находящимся поблизости.

Озкан-Айдын сейчас работает над улучшением чувствительности, совместных возможностей и заряда батареи своей роботизированной системы. Помимо использования в поисково-спасательных операциях, ее можно применять в таких приложениях, как исследование космоса, мониторинг окружающей среды или для изучения коллективной динамики насекомых, таких как муравьи и термиты.

Школьные учителя дали ему задание — разработать собственный проект. Даниил всегда любил биологию и химию, но очень хотел попробовать себя в программировании и электронике. Так родилась идея на стыке дисциплин. Школьник создал робота-муравья. У него шесть длинных лап, которыми он умеет перебирать. Управляет им разработчик с помощью пульта.

Со временем Топорец сделал робота более мультимедийным — он стал воспроизводить звуковые файлы и может комментировать свои действия, реагировать голосом на команды.

По словам разработчика, такой аппарат может быть полезен в военной сфере, при добыче полезных ископаемых, ремонтных работах.

— Робот может функционировать в труднодоступных и опасных для человека условиях. Его плюс в том, что шагающие платформы более универсальны и смогут передвигаться там, где не пройдут гусеничные и колесные модели, — объясняет Даниил.

Сейчас он активно участвует в технологических конференциях, форумах, выставках, где демонстрирует свою разработку.

Сейчас молодой человек работает над новой версией своего робота. Топорец хочет добавить в него функцию картографирования — научить робота составлять карту местности.

— Возможно, в 3D-формате, — добавил Даниил.

ФАКТЫ

— Робот может вернуться в исходное положение после опрокидывания на спину.

— Еще одна функция робота — танец. По словам разработчика, это не просто развлекательное шоу, а демонстрация возможностей платформы и использованных при ее программировании математических алгоритмов.

Читайте также: