Кибер-оригами
Комбинированная фотография процесса самосборки оригами-робота. Фото: Seth Kroll / Wyss Institute

Комбинированная фотография процесса самосборки оригами-робота. Фото: Seth Kroll / Wyss Institute

Американские инженеры создали самособирающегося робота-оригами из кусочков бумаги и детского «магического пластилина»

Ученые из Массачусетского технологического института и нескольких других исследовательских центров США изучили секреты японского искусства оригами и использовали их для создания роботов из полосок бумаги и комочков популярного в Америке пластилина для детского творчества. Роботы способны собирать сами себя и самостоятельно двигаться. Свое ноу-хау и возможные варианты применения таких роботов физики представили в двух статьях, опубликованных в журнале Science.

«Мы создали полноценную электромеханическую систему, которую можно "закатать" в плоский лист материи. Традиционная методика сборки роботов требует дорогостоящих станков, а трехмерные принтеры слишком медленны для массового производства чего-либо. Плоские композитные материалы, напротив, можно собирать при помощи дешевых инструментов, таких как лазерный резак или чаны для травления, и потом сворачивать их в полноценные машины. Потенциал для применения таких роботов безграничен — представьте рой космических спутников, который отправляется в космос в виде пачки из плоских листов. Когда они достигают орбиты, они разделяются, превращаются в трехмерные объекты и начинают выполнять свои задачи», — повествует ведущий автор одной из статей Сэм Фелтон из Гарвардского университета (США).

Группа из нескольких физиков, программистов и биоинженеров под руководством Фелтона впервые в истории робототехники смогла создать робота, способного полностью собирать самого себя без вмешательства человека и при этом исполнять практически значимые задачи. Это стало возможным благодаря оригами и необычному хобби некоторых из них — лепке и раскраске фигурок из комплектов «запекаемого» пластилина, которые в США продаются под торговой маркой Shrinky Dinks.

Оригами  — древнее искусство. Оно зародилось в Японии примерно в VIII веке нашей эры, когда первые буддистские монахи завезли бумагу на острова. Первые фигурки из сложенной бумаги и простейшие способы их изготовления попали в Европу примерно в XV веке, когда путешественники с Запада добрались до Страны восходящего солнца и вернулись обратно домой, следуя по Шелковому пути. Пик популярности оригами пришелся на середину прошлого столетия, когда японский художник Акира Есидзава разработал своеобразный «алфавит», позволяющий записывать инструкции по сборке фигурок в понятной и удобной форме. Примерно в это же время оригами заинтересовались математики и физики, открывшие набор формул, описывающих процесс складывания бумаги.

Акира Есидзава. Фото: wikimedia.org

Классическое «жесткое» оригами достаточно давно привлекает внимание инженеров, так как оно позволяет превращать плоские листы бумаги или другой материи в трехмерные структуры произвольной формы, обладающие большой степенью свобод. Несмотря на математическую и физическую проработанность, конструкторы почти не пытались использовать его секреты на практике, так как исходный материал, из которого собираются «инженерные» фигурки, должен обладать двумя плохо сочетаемыми свойствами — высокой гибкостью и способностью сохранять форму.

Фелтон и его коллеги смогли решить эту проблему относительно неортодоксальным и дешевым способом — они обратили внимание на популярный сегодня среди детей и гиков набор для творчества Shrinky Dinks. Он представляет собой особый «пластилин», из которого можно лепить фигурки произвольной формы, раскрашивать их и затем превращать в твердые скульптуры, запекая их в печи. Авторы статьи решили не изобретать велосипед и попытались использовать Shrinky Dinks в качестве основы для робота, который бы собирал себя сам по тем же принципам, по которым оригамист складывает фигурку из плоского листа бумаги.

На пути к созданию робота ученым пришлось решить три задачи — создать саму «бумагу», методику ее автоматического сворачивания и научиться интегрировать в лист различные виды электронной начинки. Первая задача оказалась относительно простой — группа Фелтона решила ее, склеив пять слоев бумаги и «пластилина» в своеобразный сэндвич.

Для решения второй проблемы они разместили в середине этого листа тонкую сетку из металлической проволоки. Когда через такую сетку пропускается электрический ток, она раскаляется до высоких температур, что превращает Shrinky Dinks из пластилина в пластик. К некоторым узлам сетки ученые подсоединяли и приклеивали специальные петли, которые сворачивали лист под определенным углом и в определенном направлении при появлении электричества. Лишние соединения между теми частями сетки, которые должны оставаться прямыми, Фелтон и его коллеги перерезали при помощи лазера.

Последний элемент в создании «кибер-оригами» был самым трудозатратным — физикам из МИТ и Гарварда пришлось потратить несколько месяцев на то, чтобы научиться интегрировать в лист будущего робота источники питания, двигатели, управляющие его работой микрочипы и прочие компоненты. В общей сложности ученые создали 40 неудачных прототипов роботов до того момента, как им удалось найти решение этой проблемы.

Убедившись в работоспособности всех компонентов будущего робота, авторы статьи создали принтер, позволяющий штамповать такие машины в автоматическом режиме. Для печати на таком принтере можно использовать популярную среди оригамистов программу Origamizer, созданную японским программистом Томохиро Тачи.

Для демонстрации возможностей своей технологии Фелтон напечатал на этом принтере робота-паука, способного ползти со скоростью до 5 сантиметров в секунду в произвольном направлении. На сборку такого робота из абсолютно плоского листа «бумаги» уходит около четырех минут после подключения источника питания к микрочипу, управляющему сборкой машины. При этом на само «оригами» уходит примерно такое же количество энергии, которое содержится в обычной пальчиковой батарейке.

Комплект «запекаемого» пластилина Shrinky Dinks. Фото: inbetweenlaundry.blogspot.ru

По оценкам авторов статьи, производство одного такого робота обошлось им примерно в 100 долларов, причем около 80% от этой суммы приходится на двигатели и электронику и лишь 20% — на сам лист «кибер-бумаги». Уже сейчас Фелтон и его коллеги проводят эксперименты с другими видами полимеров, такими как полистирол, которые твердеют при меньших температурах и обладают более высокой механической прочностью. Если их опыты завершатся удачно, то оригами-роботы будут одновременно дешевле в изготовлении, легче и прочнее. Как считают ученые, их изобретение в первую очередь привлечет спасателей, военных, а также менеджеров IKEA, которые теперь смогут избавить своих покупателей от необходимости собирать мебель — она сама выполнит эту утомительную процедуру.

Группа Фелтона — не единственная, кому пришла в голову идея использовать принципы оригами и различные «умные» пластики для изготовления роботов. Параллельно с их статьей журнал Science опубликовал аналогичное исследование, которое проводила другая группа инженеров под руководством Джесс Сильверберг из Корнелльского университета в Итаке (США).

Их разработка меньше похожа на проект со студенческой ярмарки талантов — ее основой является сложный для изготовления полимерный метаматериал, структура которого представляет собой набор из множества вкладок, похожих по своему виду на меха аккордеона или один из базовых элементов оригами варианта миура-ори. Благодаря такой организации фрагмент из этого полимера одновременно остается гибким и при этом сохраняет свою форму, что тоже позволяет использовать его для производства саморазворачивающихся роботов.

Пока эта технология далека от практического применения, однако Сильверберг и его коллеги надеются, что она найдет свое место в космической отрасли и в других областях, где требуется способность быстро и надежно менять форму по команде компьютера или при смене обстоятельств.

Self-Folding Robots from Wyss Institute on Vimeo.

Пароль:  robots
Железнодорожная Америка Далее в рубрике Железнодорожная АмерикаБарак Обама добивается модернизации высокоскоростной железной дороги Бостон — Вашингтон; «Русская планета» вспоминает о других высокотехнологичных ЖД-проектах в США Читайте в рубрике «Наука и технологии» Станислав Протасов: «Технологии Acronis спасают миллионы»Сооснователь IT-гиганта представил в Технопарке МФТИ настоящий гоночный болид «Формулы-1» Станислав Протасов: «Технологии Acronis спасают миллионы»

Комментарии

08 августа 2014, 11:07
После грядущей ядерной войны выживут только вот такие роботы, которые будут заниматься тем, что разбирать и собирать себя на выжженной земле нашей планеты.
08 августа 2014, 12:11
"Лаборатория монстров" - это и есть самое подходящее название для всего этого.
08 августа 2014, 12:54
Эта разработка полный идиотизм. Оригами создавались для развития моторики и мышления детей,никакого смысла в том,что они сами делаются нет. Только для красоты ,что маленькие кусочки сами двигаются,но кого сейчас этим удивишь...
09 августа 2014, 17:22
Чего только не придумают, чтобы человеку не напрягать лишний раз мозг и не способствовать его развитию. Зачем самому что-то делать, если за тебя уже все придумали и все решили. Я считаю, что это совершенно бесполезное изобретение.
Авторизуйтесь чтобы оставлять комментарии.
Интересное в интернете
Не пропустите лучшие материалы!
Подпишитесь на «Русскую планету» в социальных сетях
Каждую пятницу мы будем присылать вам сборник самых важных
и интересных материалов за неделю. Это того стоит.
Закрыть окно Вы успешно подписались на еженедельную рассылку лучших статей. Спасибо!
Станьте нашим читателем,
сделайте жизнь интереснее!
Помимо актуальной повестки дня, мы также публикуем:
аналитику, обзоры, интервью, исторические исследования.
личный кабинет
Спасибо, я уже читаю «Русскую Планету»