Сегодня роботы, используемые для исследования океанских глубин, для выполнения задач полагаются на заранее составленные алгоритмы движения, централизованную обработку данных и жесткую архитектуру. Но море непредсказуемо, и такая архитектура сталкивается с трудностями каждый раз, когда меняется направление течения, снижается видимость или резко меняется ландшафт. Исследователи из Итальянского технологического института (Istituto Italiano di Tecnologia, IIT) решили сменить угол зрения и воспользоваться подходом возрастом 500 миллионов лет.
Автор: Омар Кардуди
Свое вдохновение итальянские ученые черпают у осьминогов. Головной мозг этого моллюска чрезвычайно мал, при этом 60 процентов его нейронов распределены по поверхности восьми его щупалец. Каждая его конечность способна сама обрабатывать информацию и запускать рефлексы, такие как хватание добычи, не дожидаясь инструкций от головного мозга. Именно такая децентрализованная нервная система позволяла осьминогам выживать в столь непредсказуемых условиях миллионы лет. Команда из IIT повторила эту архитектуру, но уже, разумеется, с использованием силикона и электронных схем.
В результате получился мягкий роботизированный манипулятор длиной 41 см и диаметром у основания 4 см, оснащенный 10 искусственными присосками, которые сужаются к концу наподобие настоящих осьминожьих щупалец. Никаких камер, внешних компьютеров и централизованного управления.
«Проектируя роботизированную систему, в которой восприятие информации и ее обработка с последующей реакцией интегрированы и распределены по всему телу, мы вдохновлялись именно организмом осьминога,» — рассказывает Барбара Миццолаи, директор Лаборатории биоинспирированной (то есть вдохновленной биологией) мягкой робототехники Итальянского технологического института и ведущий автор исследования. — «Такой подход позволяет роботу обрабатывать сенсорную информацию и принимать решение о реакции (о захвате объекта, к примеру) автономно, просто и естественно.»
В каждую присоску встроены три пары светодиодов и фототранзисторы (миниатюрные оптические компоненты, измеряющие отраженный свет), которые действуют как нервная система щупальца. Очень высока и точность определения направления: максимальная погрешность составляет менее 18 градусов, а средняя — около 8 градусов, что сопоставимо с расстоянием между двумя соседними делениями на циферблате часов.
Контроль осуществляется на двух уровнях. Первый уровень — исключительно локальный: каждая присоска обладает собственным центром, который в момент контакта с предметом, не дожидаясь команды, сам запускает присасывание. На втором уровне собирается информацию со всех присосок, в течение максимум 4 секунд анализируется положение объекта в пространстве, и определяется общая стратегия действия — необходимо ли подвернуть щупальце или развернуть его вокруг оси. Так, при необходимости, возможно скорректировать рефлекторную реакцию первого уровня.
При контакте каждая присоска срабатывает независимо от других — централизованное управление не требуется | Istituto Italiano di Tecnologia
«Интеграция сенсоров и модулей обработки сигналов на каждой присоске позволяет манипулятору реагировать на поступающую информацию в режиме реального времени, преодолевая зависимость от централизованного контроля,» — объясняет Эмануэла Дел Дотторе, соавтор работы и сотрудник Лаборатории. — «В результате мы получили масштабируемую и надежную систему, предназначенную для работы в сложных условиях, в том числе под водой.»
Все испытания системы проводились под водой. Будучи в движении, манипулятор успешно распознал стеклянные бутылки и стаканы, оценил вес захватываемого объекта в 72.5 грамма (при его фактическом весе в 85 грамм) и смог перемещать объекты, расположенные под разными углами, в том числе искусственную морскую звезду. Максимальная грузоподъемность манипулятора составила около полукилограмма, а сенсоры сохранили точность работы даже после 300 циклов использования.
Поскольку каждая присоска направляет на центральный процессор не сырые данные, а уже обработанную информацию о положении ощупываемого объекта, система не требует больших вычислительных мощностей и может легко быть масштабирована для работы с бо́льшим количеством присосок и щупалец без утери скорости реакции.
Учитывая модульность системы, количество и тип присосок могут быть адаптированы под конкретную задачу. Основное предназначение системы — проверка состояния подводной инфраструктуры, включая трубопроводы, кабели и платформы, а также получение биологических образцов в средах, недоступных для стандартных, жестких роботов.
Разработка Итальянского технологического пополнило ряды открытий, черпающих вдохновение в особенностях осьминогов. В 2017 году на выставке Hannover Messe немецкая компания Festo представила свой OctopusGripper — оснащенное двумя рядами присосок силиконовое щупальце с пневматическим управлением, которое захватывает предмет при подаче сжатого воздуха — продуманная конструкция, которая, тем не менее, по-прежнему зависит от внешней системы контроля давления и требует участия человека.
Исследователи из Университета Бристоля пошли по совершенно иному пути: вместо того, чтобы копировать принцип действия осьминожьих щупалец, они решили изучить его слизь. В своем исследовании, опубликованном в 2024 году, они представили радикально новый тип конструируемой присоски — их изобретение предполагает применение многослойной структуры и искусственную систему подачи жидкости, которое имитирует использование осьминогом слизи для заполнения неровностей на грубой, шероховатой поверхности подводных объектов, что позволяет захватывать камни, дерево и другие предметы сложной формы. Этот фактор кардинально отличает новую конструкцию от обыкновенных искусственных присосок.
Совсем недавно же, команда, объединяющая ученых из Пекинского университета, Национального университета Сингапура, Чжэцзянского университета в Китае и Пекинского технологического института, спроектировала роботизированную систему, воспроизводящую стратегию захвата головоногих. Захватный механизм созданной ими системы OUT-Robot может быстро менять состояние с гибкого на жесткое и наоборот, что дает ему возможность отбирать и захватывать объекты, обладающие различной формой, мягкостью и весом.
Но в отличие от этих двух конструкций, разработка IIT автономна. Их робот способен не просто захватывать объекты, а самостоятельно решать, каким образом их лучше захватить. Несмотря на это, в команде IIT признали, что на данном этапе в полевых испытаниях использовались объекты относительно простой геометрии. Следующие этапы предполагают тесты с предметами более широкого спектра форм и веса, а также интеграцию нейроморфных вычислений, чтобы еще больше сблизить систему с принципами функционирования нервной системы осьминогов.
Исследование было опубликовано в журнале Nature Machine Intelligence.
Оригинал: New Atlas
