Северные олени помогут... в освоении космоса
Китайские инженеры изучают строение стоп северного оленя, чтобы повторить их механику в биомиметической механической стопе
Стопа оленя. Фото: Amanda Graham / Flickr / CC BY-NC-ND 2.0
«Природоподобие» – термин, который часто используют специалисты для описания векторов развития новейших инженерных технологий. Источником вдохновения для разработчиков сложнейших механизмов могут послужить самые привычные объекты природной среды. В свежей статье группы китайских учёных рассказывается о том, как изучение строения стоп северного оленя может быть применено в конструировании роботизированной механической стопы для использования на Земле и в космосе. Материал «Энергосберегающий, несущий и крепежный механизм на льду и мерзлом грунте биомиметической механической стопы» опубликован на ресурсе PLoS One.
Исследования северных животных как объекта бионики, прикладной науки о применении в технике принципов организации, свойств, функций и структур живой природы, – достаточно новое направление. Его развитие связано с ростом применения роботов в современном технологичном мире. Одной из инженерных задач здесь является обеспечение эффективного передвижения механизмов на сложных грунтах и поверхностях. К подобным грунтам относятся замёрзшие породы, которые встречаются не только на Земле, но и на космических объектах, таких, как Луна или астероиды.
В начале 2024 года группа учёных из Китая опубликовала работу, в которой была изучена кинематика оленьих ног (были отобраны семь восьмилетних самцов с племенной фермы в китайском городе Гэньхэ) и предложена конструкция механического устройства, основанного на принципах природоподобия – биомиметической механической стопы.
Механические ноги, сконструированные с учетом принципов строения ног копытного животного, обладают отличной приспособляемостью и двигательными характеристиками, уверены авторы. В соответствии с законами естественного отбора, структура ног животных развилась, наилучшим образом приспособившись к окружающей среде. Северный олень – типичное полярное кочующее животное, и его копыта имеют превосходные характеристики, позволяющие оленям совершать длительные миграции в сложных условиях. В частности, их подошвенный мех играет противоскользящую роль и может увеличивать площадь контакта с землей при ходьбе по мёрзлому грунту. Но не только это.
Структура новой кинематической механической стопы была спроектирована с учетом траекторий движения суставов, размеров копыт и пропорциональных соотношений их составных частей. Основываясь на характеристиках накопления и высвобождения энергии копытными суставами, использование эластичных компонентов в суставах способствует энергосбережению бионической стопы.
Проверка характеристик биомиметической механической ноги показала, что она адаптивна к трем типам грунта: мёрзлой земле, льду и лунному грунту, содержащему водяной лед. Хорошая несущая способность механических ног на мёрзлом грунте позволяет увеличивать тяговое усилие, что дает возможность использовать более тяжелое навесное оборудование.
Рис 1. Многофункциональная биомиметическая механическая стопа
1. Соединительная пластина двигателя. 2. Неподвижная соединительная пластина. 3. Верхняя неподвижная опорная пластина. 4. Скользящая направляющая. 5. Подвижный блок. 6. Нижняя неподвижная опорная пластина. 7. Соединительная пластина. 8. Подвижная пластина. 9. Подвижная опорная пластина. 10. Неподвижная пластина торсионной пружины. 11. Соединительная колонна крепления. 12. Соединительная пластина ползуна. 13. Соединительная пластина нижней регулировочной колонны. 14. Соединительный блок на ножке. 15. Несущий носок. 16. Соединительная пластина колонны верхней секции. 17. Боковая неподвижная пластина. 18. Опорный блок. 19. Телескопическая колонна. 20. Пружинная крепежная втулка. 21. Крепежная пластина буферной опоры. (1), (2), (3), (4). Первая, вторая, третья и торсионная пружины соответственно.
Чем хороши биомиметические роботы с ногами?
Роботы с ногами обладают высокой мобильностью и адаптивностью к окружающей среде на «неудобных» поверхностях, потому что контактируют с поверхностью точечно и имеют гибкие структуры конечностей. Поэтому их можно применять при разведочных и транспортировочных работах в условиях высокого риска для человека – там, где колесные роботы будут неэффективны.
Ранее разные группы ученых провели множество работ по изучению динамики, потребления энергии и скорости движения четвероногих животных. В результате, например, была разработана легкая бионическая механическая нога, основанная на механике задней конечности гепарда. Эта механическая нога обладает невысокой массой, сохраняя при этом жесткость и прочность. Конструкция позволяет избегать возникновения больших изгибающих моментов и способствует эффективному использованию энергии при высокоскоростной работе. Благодаря точным алгоритмам управления робот с ногами вполне способен ходить по мёрзлой почве. Тем не менее, при ходьбе по снегу или льду робот всё равно скользит. Плохая устойчивость и относительно простое строение ног роботов заставляют заниматься совершенствованием бионики механической стопы.
Где можно использовать таких роботов?
Мерзлый грунт распространен по всему Земному шару. Общая площадь вечной мерзлоты составляет 25% от площади Земли. Водяной лед обнаружен на Луне – мировые аэрокосмические державы рассматривают его как стратегический ресурс и разрабатывают планы по отбору проб и исследованию их. Европейское космическое агентство предложило план строительства лунной деревни. Китай планировал провести несколько исследований и отбора проб лунного водяного льда до 2030 года.
Лунный водяной лед в основном существует в постоянно затененных областях (кратерах), через которые колесные роботы могут проходить с трудом. Ножные роботы здесь имеют хорошие перспективы применения благодаря отличным двигательным характеристикам и адаптивности к окружающей среде.
Новое исследование китайских ученых дает глубокое понимание кинематических и механических характеристик бионической ноги на мерзлом грунте, льду и имитаторе водно-ледяного лунного грунта. Тем не менее, есть определённые ограничения, которые исследователи предлагают учитывать. Эксперименты проводились в контролируемой лабораторной среде, которая может не полностью имитировать непредсказуемые условия, наблюдаемые в реальных ситуациях. Ведь разнообразие местностей, в которых роботизированным системам придется работать в практических сценариях, весьма обширно.
***
Андрей Иванов, специально для GoArctic
