Все прыгают. Лягушки прыгают. Кенгуру прыгают. Даже дрессированные блохи и те прыгают. Но теперь робот может перепрыгнуть их всех.

В статье, опубликованной в среду в рецензируемом журнале Nature, исследователи представили относительно простой способ количественной оценки и сравнения "прыгунов" - категории, включающей как живых существ, так и сконструированные машины. Однако на этом учёные не остановились.

Устройство-джампер в стабильном состоянии до выполнения прыжка. Elliot W. Hawkes

"Следуя этим идеям, мы создали устройство, которое может прыгать на высоту более 30 метров, что, насколько нам известно, намного выше, чем у ранее сконструированных роботов-прыгунов, и на порядок выше, чем у лучших биологических прыгунов", - пишут они. Устройство высотой чуть менее одного фута (30 см) и весом чуть более 30 грамм может подниматься в воздух на высоту около 33 метров со скоростью взлета 28 метров в секунду.

Люди давно увлекаются прыжками, которые исследователи определяют как "движение, вызванное силой, приложенной к земле прыгуном, при сохранении постоянной массы". (Это не относится к таким механизмам, как ракеты или стрелы, выпущенные из лука). Аристотель рассматривал использование гирь для более высоких прыжков, а ученые эпохи Ренессанса разработали рудиментарную модель для анализа прыжков в животном мире. Более полувека инженеры обращались к биологическому миру за вдохновением при проектировании прыгающих машин.

Прыжки заставили как инженеров, (собственно как и эволюцию), столкнуться с некоторыми основными физическими ограничениями в процессе производства энергии. "Мышцы и двигатели не могут самостоятельно генерировать высокую мощность, необходимую для перемещения... прыгунов", - пишет инженер-механик Сара Бергбрайтер в статье "Перспективы", опубликованной в журнале Nature. Живые и инженерные системы обходят это ограничение, используя свои "мышцы и двигатели для накопления энергии в пружиноподобных структурах" перед тем, как высвободить энергию разом ", пишет она.

Эта диаграмма показывает схему, разработанную исследователями для описания фаз прыжка для роботов-прыгунов. По времени выделяются три фазы: подготовка к разгону, толчок, и полет. Что касается энергии, то здесь есть два аспекта: предельное значение удельной энергии (обозначено красной пунктирной линией) и удельное потребление энергии (описывается серой кривой). Nature. 

Полученные знания позволили создать революционные конструкции

Ранее ученые уже проводили исследования того, как некоторые из самых лучших прыгунов животного мира (например, крошечная лягушка, которая может подпрыгнуть в 115 раз больше длины своего тела) умудряются подниматься в воздух так высоко. Однако эти исследования были ограничены некоторыми гипотезами, с которыми новое исследование столкнулось с самого начала. Например, существуют большие различия между линейными двигательными механизмами живых существ (т.е. мышцами) и двигателями, доступными инженерам.

"Роторные двигатели, которые обычно применяются в промышленных роботах, могут преодолеть [эти ограничения], действуя как лебедка, и обеспечивая усилие на гораздо большем участке без необходимости использования более мощного двигателя, что повышает эффективность работы", - говорит Бергбрайтер. "Пока роторные двигатели будут вращаться, инженерные системы будут ограничены плотностью энергии ( накопленная энергия на единицу массы) пружин".

Фазы прыжка. Elliot W. Hawkes.

Исследователи обнаружили, что комбинация резиновых лент и пружин из углеродного волокна может аккумулировать огромное количество энергии на единицу массы. В отличие от большинства пружин, "эта конфигурация обеспечивает относительно постоянное давление сжатия на разных расстояниях, - говорит Бергбрайтер. Это большое преимущество, если вы пытаетесь создать робота-рекордсмена по прыжкам". Наконец, работа по моделированию помогла исследователям понять, что типичные пропорции прыгуна не всегда оптимальны. В их изобретении используются пружины, размеры которых намного больше размеров двигателя.

"Такое неожиданно высокое соотношение между массой пружины и двигателя является результатом относительного энергетического ограничения этих компонентов: плотность энергии пружины ограничивает высоту прыжка робота, в то время как плотность работы мышц ограничивает количество энергии, которую биологические прыгуны могут накопить в своих пружинах", - объясняет Бергбрайтер.

Источники: Nature

(https://www.nature.com/articles/s41586-022-04606-3)(https://www.meche.engineering.cmu.edu/directory/bios/bergbreiter-sarah.html)