Кибер-оригами

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

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

Александр Телишев

7 августа, 2014 22:00

8 мин

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.