Роботы научились рыть землю — почему это прорыв в робототехнике

Чтобы преодолеть ограничения традиционной робототехники, исследователи Калифорнийского университета в Санта-Барбаре (UCSB) и Технологического института Джорджии вдохновлялись опытом природы, а именно змеями.

Силы, сопротивляющиеся подземному движению, на порядки выше, чем в воздухе или воде. Например, человек не может выкопать яму почти так же быстро, как он может бегать или даже плавать. В результате для большинства методов копания требуется тяжелая и мощная техника наподобие экскаваторов. Хотя эти инструменты эффективны, они ограничены в возможности изменять направление под землей и могут быть не самыми практичными по сравнению с небольшим роботом.

Еще одна проблема горизонтального рытья туннелей заключается в том, что на симметричный объект, движущийся горизонтально в гранулированной среде, действует подъемная сила. Легче толкать песок вверх и в сторону, чем уплотнять его — в результате объект, движущийся по песку горизонтально, всегда стремится подняться на поверхность.

Главная часть нового робота — его наконечник, который выступает наподобие корня растения. Робот продвигается вперед, выдвигаясь из наконечника, а значит, вся остальная его часть остается неподвижной относительно окружающей среды. Таким образом, независимо от длины робота и его пути, ему нужно преодолеть только силы сопротивления на наконечнике, а не по бокам. 

Другой проблемой, которую пришлось решить исследователям, была сила сопротивления, возникающая на основании робота. Они решили эту проблему с помощью гранулированного псевдоожиженного слоя (это состояние, характерное для сыпучих материалов при пропускании через них потока воздуха или газа под давлением). Робот выдувает из своего наконечника струю воздуха, которая выкапывает и разжижает окружающий песок. Таким образом, давление воздуха, проходящего через частицы песка, приостанавливает их, позволяя им течь мимо друг друга, как жидкость. 

Инженеры также преодолели подъемную силу, создаваемую при горизонтальном рытье нор, за счет грамотного использования воздушного потока. Направляя воздух прямо вниз, перпендикулярно направлению движения робота, песок разрыхляется под наконечником робота, а создаваемая им подъемная сила уменьшается. Это обеспечивает контролируемое горизонтальное копание и поворот. Такой принцип применяет ящерица-песчанка, которая используют свой клиновидный нос, чтобы помочь себе зарыться в песок.

Проект возник потому, что инженеры были заинтересованы в создании модели роста корней растений. Они использовали принцип выдвижения наконечника робота-змеи в другой работе, чтобы изучить, как корни растений могут пассивно расти вокруг препятствий. Но горизонтальное рытье оказалось намного сложнее, чем ожидалось, потому что робот продолжал «всплывать» на поверхность. 

Во время создания прототипа робота также провели серию контролируемых физических экспериментов, чтобы понять как поток жидкости влияет на подъемную силу и сопротивление твердого объекта, движущегося через песок.

Удлинение наконечника и гранулированное псевдоожижение имеют ряд преимуществ по сравнению с другими методами. Например, при выдвижении из наконечника робот не испытывает трения по бокам, то есть трение не увеличивается с увеличением длины или кривизны траектории. А удлинение наконечника означает, что робот может поворачиваться в любом направлении, независимо от пройденного им пути. Современные методы, такие как наклонно-направленное бурение, ограничены в этом.

Разработка обеспечивает улучшенную производительность при длинном, неглубоком и направленном рытье и имеет множество потенциальных применений в будущем. На земле это отбор проб почвы , минимально инвазивное орошение, установка проводов или геотермальных петель без рытья траншей, борьба с эрозией, поисково-спасательные работы и осмотр зернохранилищ. Этот метод также хорошо подходит для сухих внеземных сред с низкой гравитацией, где может быть трудно создать реактивные силы. В будущем ученые надеются исследовать возможность интеграции удлинителя наконечника с традиционными технологиями бурения и разведки.