Учёные разработали механизм, который позволяет небольшим роботам прыгать и плавать за счёт резкого распрямления скрученных упругих стержней. Такой подход может оказаться особенно полезным для устройств с ограниченным запасом энергии, поскольку часть работы выполняет сама механика конструкции. Результаты исследования опубликованы в журнале Science Advances.
Работу совместно возглавили доцент кафедры машиностроения и аэрокосмической техники Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе Халид Джавед и доцент кафедры робототехники Мичиганского университета Сяонан Хуан. «Более широкая возможность заключается в том, чтобы позволить механике робота выполнять часть работы, которая в противном случае потребовала бы более крупных двигателей или более сложного управления», — сказал Хуан.
Исследователи установили, что согнутый гибкий стержень при вращении его концов может менять форму постепенно или резко переходить из одного состояния в другое. Для получения сильного толчка команда с помощью компьютерного моделирования и экспериментов подобрала спиральную конфигурацию, напоминающую участок витой пружины. Такая форма позволила накопить больше энергии и быстро подготовить стержень к следующему срабатыванию.
«Поскольку именно форма стержня, а не его размер определяет, произойдёт ли резкий щелчок или постепенная деформация, одни и те же правила проектирования применимы к широкому диапазону масштабов», — отметил Джавед. По его словам, это создаёт возможность разрабатывать роботов шириной всего несколько миллиметров, превращая небольшие движения двигателя в мощные импульсы.
После оптимизации механизма учёные собрали робота с двумя такими стержнями в задней части корпуса. Вращающийся двигатель скручивал их до момента резкого высвобождения энергии, затем раскручивал и снова деформировал конструкцию. Прототип, напоминающий лягушку, передвигался по дереву, стеклу, коже, песку и траве, преодолевал ступени, а после установки лопастей мог плавать.
Разная скорость работы стержней позволяла роботу поворачивать, а дистанционное управление помогало обходить камни в небольшой песочнице. Кроме того, исследователи автоматизировали простую навигацию с помощью датчиков света, направлявших устройство к источнику освещения. Робот массой около 0,25 фунта развивал скорость примерно три длины корпуса в секунду — показатель, сопоставимый с движением детёныша головастой морской черепахи к морю; о результатах сообщила пресс-служба Мичиганского университета.