Крошечный робот, весом меньше теннисного мяча, установил мировой рекорд по высоте прыжка среди роботов. Предыдущий рекорд составлял 3,7 метра, что достаточно для перепрыгивания одноэтажного дома. Этот робот прыгает на 31 метр – это высота более 10 этажей, примерно от подножия Статуи Свободы до уровня её глаз.
Что такое прыжок?
Прыжок характеризуется двумя критериями: отталкиванием от поверхности (квадрокоптеры не прыгают, так как отталкиваются от воздуха) и отсутствием потери массы в процессе (ракеты и стрелы из лука не прыгают, так как постоянно теряют массу). Живые существа, от песчаных блох до кенгуру, прыгают, используя разовое мышечное усилие. Высота прыжка зависит от количества затраченной энергии при отталкивании.
Механизм прыжка робота
Существуют прыгающие игрушки, например, попперы, которые работают по принципу накопления энергии при деформации и её последующего высвобождения. Этот робот превосходит подобные игрушки: он невероятно мал, быстро разгоняется и преодолевает большие расстояния за короткое время. Сам прыжок настолько быстр, что практически незаметен.
Применение прыгающих роботов
Инженеры предполагают применение таких роботов на планетах и спутниках с разреженной или отсутствующей атмосферой. На Луне, с гравитацией в 1/6 земной, этот робот смог бы прыгать на 125 метров в высоту и на 500 метров в длину. Прыгающие роботы эффективнее роверов при преодолении препятствий и сборе образцов. Прыжок – энергоэффективное действие, а разработка механизма возврата кинетической энергии в пружину при посадке позволит минимизировать потери энергии. Разрабатываются различные модели: роботы, выравнивающие положение после приземления, и роботы с тремя подвижными ногами для выбора направления прыжка.
Конструкция и принцип работы
Основу механизма составляют четыре узкие пластины из углеродного волокна, соединённые эластичными лентами, образующие пружину. Маленький моторчик накручивает прочную нить, сжимая робота и накапливая энергию в пластинах и лентах. За полторы минуты конструкция сжимается до максимума. Затем срабатывает спусковой механизм: нить резко разматывается, высвобождая накопленную энергию. Робот разгоняется до 100 км/ч за 9 миллисекунд (ускорение более 300g).
Секрет высоких прыжков
Малый вес робота (30 грамм) обусловлен использованием миниатюрного мотора, батареи и лёгких углеродных материалов. Резина из натурального латекса накапливает до 7000 джоулей на килограмм энергии. Конструкция оптимизирована для этой задачи: комбинация углеродных пластин и резиновых лент обеспечивает практически идеально ровный график усилия при сжатии, что позволяет накопить в два раза больше энергии, чем в обычной пружине. Иногда нить рвётся, но это легко устраняется заменой. Добавление небольшого кусочка стали улучшает эффективность прыжка.
Главный секрет – аккумуляция работы. В отличие от животных, использующих единичное мышечное усилие, робот накапливает энергию за множество движений мотора, обменивая энергию на время. Фиксирующий элемент предотвращает преждевременное разматывание нити. Подобные механизмы используются некоторыми живыми существами, например, песчаными блохами.
Сравнительный анализ
Использование лунных ботинок незначительно улучшает высоту прыжка с места. Распрыгивание позволяет накопить энергию в лентах и подпрыгнуть выше на следующей попытке.
Высота прыжка робота близка к максимальной для данного типа пружины. Даже гипотетический робот с бесконечно лёгким мотором, работающим бесконечно долго, подпрыгнул бы всего на 19% выше. Сопротивление воздуха оказывает меньшее влияние, чем на прыжки песчаных блох. Десятикратное увеличение размеров робота повысило бы высоту прыжка лишь на 15-20%.
Концепция аккумуляции работы может революционизировать робототехнику. Накопление энергии за счёт продолжительного вращения мотора позволяет роботам запасать и высвобождать большое количество энергии, устанавливая новые рекорды.