Однограммовый робот научился прыгать по лестнице без пружин

Инженеры Вашингтонского университета разработали крошечного робота DirectHop массой всего около 1 грамма, способного перепрыгивать через ступеньки, приземляться и самостоятельно возвращаться в раaбочее положение. В отличие от многих миниатюрных прыгающих роботов, новая конструкция не использует пружины для накопления энергии. Вместо этого движение обеспечивает небольшой электродвигатель.

Разработка пока остается исследовательским прототипом и не умеет полностью автономно передвигаться. Однако ученые рассматривают ее как основу для будущих групп миниатюрных роботов, которые смогут работать там, где крупным машинам сложно перемещаться.

Как работает DirectHop

Основная особенность робота заключается в необычном механизме прыжка. Двигатель соединен с конструкцией корпуса при помощи тонкой лески. Когда мотор разгоняется, он наматывает леску и перемещается вверх по небольшой башне, одновременно поднимая корпус робота над поверхностью.

Во время прыжка три складные шарнирные ножки раскрываются и помогают удерживать двигатель на одной линии с опорной частью. Изменяя ток, подаваемый на мотор, исследователи могут управлять высотой прыжка. По данным команды, точность настройки составляет примерно 1 см.

Такой подход отличается от распространенной схемы с пружиной. В обычных прыгающих микророботах пружина сначала накапливает энергию, а затем резко высвобождает ее. Это позволяет получить мощный импульс, но усложняет точное управление расстоянием прыжка.

Для устройств массой около одного грамма проблема становится еще заметнее: по мере уменьшения размеров пружины, фиксаторы и другие механические элементы становятся сложнее в производстве и настройке. DirectHop избавляется от части этой механики, используя непосредственно управляемый электродвигатель.

Жаба помогла придумать механизм, черепаха — систему приземления

При создании робота исследователи вдохновлялись сразу двумя животными. Механика прыжка частично повторяет принцип работы мышц лягушачьих лап, которые непосредственно создают необходимое движение. За систему восстановления после приземления команда взяла идею у черепахи-боксерки.

После прыжка DirectHop не всегда приземляется на подошву. Робот может оказаться на боку, поэтому его оснастили защитной рамой. Она принимает на себя нагрузку и позволяет конструкции восстановить положение.

Для возвращения в исходное положение исследователи перемещают двигатель вниз по центральной башне. Из-за этого меняется положение центра тяжести, и робот перекатывается обратно на опору.

Во время экспериментов такая система позволяла восстановить правильное положение примерно в 90% случаев. Это особенно важно для многоразовых прыжков: одного успешного прыжка недостаточно, если робот после приземления не способен подготовиться к следующему.

Самая сложная задача — сделать робота автономным

Пока DirectHop нельзя назвать полноценным автономным роботом. Прототип получает энергию по кабелю, а управление осуществляется исследователями. Кроме того, устройство не способно самостоятельно выбрать направление движения и определить, насколько далеко ему необходимо прыгнуть.

Следующий этап разработки предполагает добавление сразу нескольких компонентов:

• миниатюрной аккумуляторной батареи и солнечных элементов;
• вибрационного двигателя для изменения направления движения;
• выдвижных ножек для регулировки угла прыжка;
• камеры и навигационной электроники.

В перспективе робот должен самостоятельно обнаруживать ступеньку, рассчитывать необходимую траекторию, корректировать положение перед прыжком и после приземления готовиться к следующему перемещению. Именно превращение последовательности контролируемых прыжков в полностью автономное движение станет главным испытанием конструкции.

Зачем нужны роботы массой около одного грамма

Миниатюрные роботы могут оказаться полезными в ситуациях, где применение обычных наземных машин невозможно или экономически невыгодно. Исследователи рассматривают несколько потенциальных сценариев: обследование промышленных объектов, мониторинг сельскохозяйственных территорий и исследовательские миссии в других средах, включая планеты.

При этом ключевое преимущество может заключаться не в возможностях одного устройства, а в использовании сразу большого количества таких роботов. По оценке разработчиков, полностью оснащенный вариант DirectHop потенциально может стоить около $10, то есть примерно 450 грн по курсу НБУ на 2 октября 2026 года.

Если стоимость действительно удастся удержать на таком уровне, потеря одного робота во время сложной миссии не будет критичной. Группа небольших устройств сможет выполнять задачу совместно с более крупными роботами, распределяя между собой работу и принимая на себя часть риска.

До практического применения еще далеко

Главное ограничение нынешнего DirectHop заключается в том, что почти все ключевые элементы автономной работы еще находятся на стадии разработки. Роботу необходимо научиться самостоятельно получать энергию, ориентироваться в пространстве, выбирать точку приземления и корректировать положение после каждого прыжка.

Тем не менее сама концепция показывает, что для создания сверхмалого прыгающего робота необязательно использовать сложную пружинную механику. Управляемый электродвигатель позволяет одновременно получить компактную конструкцию и возможность достаточно точно регулировать прыжок.

С практической точки зрения разработка интересна именно сочетанием минимальной массы и способности преодолевать вертикальные препятствия. Если ученым удастся добавить автономное питание и навигацию, подобные роботы смогут стать частью распределенных систем мониторинга, где большое количество дешевых устройств выполняет одну общую задачу.

Теги:

Источник