Мак замедляет шаг

Жители прибрежных городов любят совершать утренние пробежки по пляжам не только из эстетических соображений, но и для дополнительной нагрузки. Бежать здесь куда сложнее – если, конечно, не хитрить, выбирая плотный мокрый песок, с которого только что сбежала волна. Колёсные автомобили, даже внедорожники или так популярные на дыбящихся дюнах квадроциклы тоже не всегда справляются с песком, иной раз по самые оси увязая в рыхлом грунте.

Разнообразным роботам в этом плане не легче. А деваться некуда, если, к примеру, ты марсоход и сел не на мёрзлой земле у полюса, как твой неподвижный брат Phoenix, а где-нибудь в районе экватора, на засыпанных мелким рыжим песком равнинах. Вот и приходится тем же Spirit'у и Opportunity, как приходилось когда-то «Луноходам», двигаться черепашьим шагом. У гордости американской марсианской программы крейсерская скорость – 2 см/с (72 метра в час), да и максимальная немногим больше. Они могли бы попробовать ехать быстрее, только велика вероятность увязнуть. И как найти баланс между «быстрее» и «надёжнее», никто не знает.

Учёные под руководством Дэниела Голдмана из Северо-Западного университета в американском Иллинойсе создали робота Sandbot, способного быстро передвигаться по песку.

И после года экспериментов с этим «полушагающим» роботом представили на страницах Proceedings of the National Academy of Sciences подробное описание – как устройство движется, и как движется сыпучий материал, по которому он идёт. В этих наблюдениях много пищи для умов разработчиков будущих луно-, марсо- и, скажем, титаноходов – равно как и земных роботов, предназначенных для работы в пустынях или на снегу.

Тараканьей походкой

Назвать SandBot шагающим роботом всё-таки нельзя. Хотя он попеременно поднимает то одну, то другую тройку своих «лап», они всё-таки жёстко закреплены на шести осях с индивидуальным приводом к каждой. Сами «лапы» напоминают гигантские запятые – это С-образные дуги круга, которые, однако, вращаются не вокруг своего центра кривизны, а вокруг «набалдашника» на верхнем кончике контура буквы «С» – так, как вы бы её написали чернилами. Собственно, это колёса-эксцентрики, только лишний материал на них, который всё равно бы никогда не касался земли при нормальном ходе, удалён. Разработчики гордо заявляют, что SandBot – самый лёгкий из роботов своего класса, при длине около 30 см он весит всего 2,3 кг.

Походку для своего робота учёные подсмотрели у тараканов и ящериц.

У первых SandBot перенял «триногохождение». В любой момент времени робот опирается на три «лапы» – скажем, переднюю и заднюю с левой стороны тела и среднюю – с правой. С поворотом колёс стороны меняются местами: благодаря эксцентрическому положению центра вращения дуги стоявшие дуги поднимаются, а висевшие в воздухе опускаются, и теперь справа оказывается две опоры, а слева одна. Треножник, как известно минимум со времён Евклида, – устойчивая конструкция, так что робот постоянно уверенно стоит на ногах.

Из-за того же эксцентрического положения скорость вращения колёс приходится менять, чтобы к отрыву одной тройки лап от поверхности другие три успели на неё опуститься. Поэтому колёса вращаются чуть быстрее, пока в воздухе, и чуть медленнее – пока стоят на земле. Примерно так ведут себя и пустынные ящерицы.

На твёрдой поверхности робот достигает скорости 60 см/с. Однако здесь ничего революционного учёные не предложили – по сути, SandBot едет на колёсах, просто их тройки постоянно меняются, а робот переваливается из стороны в сторону. По-настоящему интересные вещи начинаются, когда аппарат выезжает на песок. Здесь учёным удалось достичь скорости в 30 см/c – всего вдвое меньше, чем на твёрдой земле.

Куча мака

Движение по сыпучим поверхностям теоретически изучать невероятно сложно, поскольку песок, к примеру, может вести себя и как твёрдые тела, и как жидкость, притом вполне себе сжимаемая. Поэтому основной прогресс в этой области техники идёт из подробных наблюдений за реальными устройствами. Кстати, жидкости при детальном рассмотрении на молекулярном уровне напоминают тот же песок, так что исследования пескоходящих роботов могут пригодиться в будущем и создателям всевозможных наноботов, которым придётся двигаться по разного рода поверхностям.

У Голдмана и его коллег в качестве арены выступал плексигласовый ящик 2,5 м на 0,5 м, на глубину 20 см засыпанный маковыми зёрнышками. Между прочим, четверть кубометра, или пара центнеров кондитерского мака. В таком количестве маленьких чёрных зёрен одного только морфина будет с полстакана; как Голдман и его коллеги использовали весь этот мак после экспериментов, в статье не сообщается. Мак покоился на пористом пластике, через который можно продувать воздух с заданной скоростью. Так учёные контролировали так называемый «фактор заполнения» – долю объёма, занятого самими зёрнами (остальное – воздух). Фактор заполнения φ учёные варьировали в интервале, характерном для сухого песка – от примерно 0,58 до 0,64.

Шагать и плавать

Соотношение фактора заполнения и скорости вращения колёс оказалось ключевым в определении скорости движения SandBot'а. Стоит лишь чуть-чуть разрыхлить зёрна, уменьшив фактор заполнения с 0,62 до 0,61, и скорость движения падает в десятки раз. И точно так же для каждого значения φ существует своя предельная скорость, которая тем меньше, чем рыхлее песок: превысь её лишь на процент, и робот практически встанет, переключаясь из режима «хождения» в режим «плавания».

В режиме «хождения» у SandBot'а есть очень важное преимущество перед обычными автомобилями. Благодаря переменной скорости вращения колёс каждая из лап входит в маковый песок относительно медленно и успевает чуть-чуть примять его, прежде чем продолжить движение в образовавшейся ямке. При этом он опирается на одну конкретную точку своей дугообразной лапы – по сути, получается настоящий шаг. Обычные машины с неэксцентричными колёсами на такое неспособны.

А вот переход в режим «плавания» происходит за счёт того, что лапы начинают проскальзывать относительно поверхности и неподвижная точка опоры на лапе так и не возникает. Здесь даже центр вращения лапы смещается из точки её крепления к оси в геометрический центр круга, дугу которого она описывает. И вот это уже никакого преимущества перед обычными машинами нет – SandBot буксует.

На пыльных тропинках

Учёные надеются, что ясная физическая картина происходящего при переходе из одного режима в другой поможет разработать роботов, которые не будут вязнуть в песке. Возможно, будущие марсоходы будут оснащены специальными сенсорами, которые на каждом новом участке песчаной поверхности будут определять фактор заполнения, и на основании этой информации будут выбирать оптимальную скорость – чуть медленнее предела, за которым следует переход в «плавающий» режим.

Правда, пока полноценной теории переключения режима нет, зависимость предельной скорости от свойств песка придётся калибровать индивидуально для каждого нового аппарата. Будем надеяться, что к моменту создания нового поколения марсоходов такая теория будет создана.