Сороконожки вдохновляют инженеров на создание нового поколения роботов

 

Робот-сороконожка

Одна из самых жутких встреч, которые у меня когда-либо были, произошла 25 лет назад, когда я переехал в свой первый дом. Включив свет в ванной рано утром, гигантская сороконожка с размытыми ногами пробежала по моей ноге, не нарушая ритма. Теперь даже при виде одной особи из них у меня мурашки бегут по спине. 

Не так для Дэниела Голдмана, биологического физика из Технологического института Джорджии (Georgia Tech), чья лаборатория только что выяснила, как эти беспозвоночные настолько искусны в беге по ногам, песку, почве, камням и даже воде. Более того, он и его коллеги сообщили в прошлом месяце на виртуальном собрании Общества интегративной и сравнительной биологии, что они создали робота-сороконожку, который однажды может пробраться через поля фермеров, чтобы убрать неприятные сорняки.

“Их результаты доказывают, что гибкость [делает животных] способными к широкому спектру видов поведения”, - говорит Джейк Соха, сравнительный биомеханик из Вирджинского политехнического института и Государственного университета (Virginia Tech), который не принимал участия в этой работе. Результаты, добавляет он, раскрывают ранее неизвестные принципы движения сороконожек.

Хотя у многоножек обычно нет 100 ног, в честь которых они названы, у них часто есть десятки пар, по одной на сегмент тела. Это делает их длинными, а также длинноногими—и способными к различным движениям, говорит Мэтью Макгенри, биомеханик из Калифорнийского университета в Ирвине. Примитивные членистоногие обладают "скоростью, элегантностью и эффективностью, которым завидуют инженеры", - говорит Макгенри. Несмотря на это, наша интуиция относительно того, как они двигаются, “часто ошибочна”, - говорит Соха.

Голдман давно был очарован многоножками, но проанализировать их движения было почти невозможно, потому что у них слишком много сегментов тела и ног, чтобы отслеживать их. Его интерес возрос, когда его постдок, инженер-электрик Ясемин Озкан-Айдын, обнаружил ценность наличия многочисленных сегментов тела и ног. Когда Озкан-Айдын, ныне ученый-робототехник из Университета Нотр-Дам, соединил двух или трех четвероногих роботов вместе, более длинные машины могли пересекать более широкие промежутки и карабкаться по большим препятствиям, даже снаружи на естественной местности, она и ее коллеги сообщили в прошлом году в Научная робототехника. Поэтому лаборатория Голдмана пошла “ва-банк” на движение сороконожек.

Другая студентка, студентка технологического факультета Джорджии Ева Эриксон, посмотрела на то, как сороконожки меняют свой бег. Многие животные, включая лошадей и людей, изменяют свою походку—то есть то, как их ноги движутся относительно тела,—по мере увеличения скорости. Но, используя сложную программу слежения за видео под названием DeepLabCut, Эриксон обнаружил, что сороконожка Scolopocryptops sexspinosus вместо этого меняет свою походку, чтобы соответствовать вызовам своего рельефа.

Обычно ноги S. sexspinousus движутся волнообразно, как пальцы, барабанящие по столу. Но иногда направление волны меняется. На плоских поверхностях волна начинается с последней ноги и движется вперед. Но когда движение становится жестким, волна разворачивается, и передняя нога движется первой, чтобы закрепиться, сообщил Эриксон на встрече. После этого каждая нога следует в натуре, приземляясь в том же месте, что и предыдущая нога. Чем выше препятствия, тем больше вероятность того, что сороконожка примет эту так называемую ретроградную локомоцию, сказал Эриксон.

Если они окажутся в воде, сороконожки также могут” плавать", чтобы спасти себя. Когда Келимар Диас, аспирантка Технологического университета Джорджии, исследовала это поведение, она тоже обнаружила, что сороконожки приспосабливают свои движения к окружающей среде. Видео показывают, что вид Lithobious forficatus начинает "плавать", размахивая ногами. Но затем он быстро поворачивает свое тело из стороны в сторону, и в этот момент он движется вперед. 

- Каким-то образом сороконожки знают, что волнообразное движение их тел порождает нужные силы, - доложил Диас на совещании.

Другой аспирант в лаборатории Бакси Чонг проанализировал, как синхронизируются отдельные волны в ногах и телах. Чтобы предсказать, какая комбинация волн тела и шагов работает лучше всего, он использовал метод математического моделирования, впервые предложенный физиками элементарных частиц. Модель произвела многочисленные комбинации волн ног и тела, которые он затем протестировал в роботе-сороконожке, построенном исключительно для понимания того, как эти животные двигаются.

Сначала Чонг запрограммировал робота синхронно двигать ногами и телом. Но вскоре он обнаружил, что робот был быстрее, когда между двумя волнами было отставание, сообщил он на встрече. Дальнейшие испытания показали, что некоторые комбинации заставили робота двигаться назад. Эти эксперименты, говорит интегративный биолог UC Berkeley Роберт Фулл, “разгадали секреты” координации сороконожек.

Последующая работа группы Голдмана показала, что робот работает лучше, если его ноги соединены, а сегменты тела податливы. ” Быть мягким и мягким имеет много преимуществ как для животных, так и для роботов", - говорит Соха. "И животные, которые длинные и тощие, могут использовать комбинации волн", чтобы двигаться, добавляет он.

Последние роботы Goldman являются гибкими, и они сочетают быстроту таракана с досягаемостью змеи. Следующим шагом, по его словам, является обучение их выполнению практических задач, таких как идентификация и уничтожение сорняков. Работая с Филиппом Бенфи, биологом по развитию растений в Университете Дьюка, Голдман планирует оснастить своих роботов программным обеспечением искусственного интеллекта, которое может выделять отдельные сорняки; дуэт предполагает роботов, которые затем могут вводить гербицид или использовать лазер или электрический разряд, чтобы убить их.

И если Озкан-Айдын добьется своего, то тогда орды роботизированных сороконожек помогут людям в других задачах: посадке и уборке урожая, перемещении товаров, мониторинге окружающей среды и даже освоении космоса. Меня это устраивает, пока они держатся подальше от моих ног.