Впервые инженеры воссоздали в цифровом виде сложную мышечную архитектуру руки осьминога и ее уникальные движения, что открывает дверь к разработке мягкой робототехники с беспрецедентной ловкостью.
Исследовательская группа под руководством кафедры механики и инженерии Иллинойсского университета в Урбане-Шампейне успешно построила вычислительную модель руки осьминога, которая способна воспроизвести то, как восьмирукий головоногий моллюск двигается, захватывает и манипулирует объектами.
«Главная мотивация — выяснить, как управлять сложной системой со многими степенями свободы и найти альтернативу выполнению дорогостоящих вычислений», — сказал доцент Маттиа Гаццола. «Осьминог — интересная модель животного, которая изучается с 1980-х годов. [Исследователи] хотят узнать «секрет» его способностей».
Анимация руки осьминога
Хотя мы до сих пор не знаем точных мышечных механизмов, работающих в этом направлении, это исследование является самой продвинутой моделью, которую мы видели. Поскольку у осьминога нет центрального мозга, а есть «мини-мозги» в каждой конечности, ученым было сложно воссоздать такое движение. Но взлом этого кода может стать переломным моментом, предоставив шаблон для эффективной многофункциональной автономной мягкой робототехники.
Основываясь на более ранней работе, в этом исследовании команда наблюдала, как осьминог протягивается через экранный барьер, чтобы схватить, манипулировать и переместить ряд объектов, размещенных по другую сторону разделителя резервуара. Объединяя визуальные записи, исследователи анализировали МРТ, гистологические и биомеханические данные, чтобы сформировать модель, которая учитывает почти 200 взаимосвязанных мышц рук осьминога для создания модели.
Муза осьминога
«Это было почти как работать с маленьким ребенком», — сказал Гаццола об их модельном объекте. «Вы должны знать, как приблизиться [к осьминогу] и удерживать его вовлеченным».
«Вместо того, чтобы работать с тысячами степеней свободы, мы связали две топологические величины — извивание и скручивание — с мышечной динамикой», — добавил Гаццола. «Каждая из этих двух величин контролируется различными группами мышц, коактивация которых приводит к возникновению третьей топологической величины, которая описывает трехмерные морфологические изменения руки, то есть ее движение».
Хотя видео могут показаться простыми, они являются кульминацией полувековой работы исследователей, пытающихся разгадать тайны механики движения мягкого тела осьминога. И это может быть Розеттский камень, который искали инженеры, формируя схему для разработки точной и плавной мягкой робототехники — то, что ускользало от ученых на протяжении десятилетий.
Далее исследователи планируют превратить свою вычислительную модель в физический прототип, который будет использовать эту сложную мышечную структуру для обучения автономным задачам.
«Наше теоретическое понимание по-прежнему представляет собой интуитивный подход», — сказал Гаццола. «Мы хотим разработать автоматизированную структуру, чтобы наша модель осьминога могла научиться выполнять задачи самостоятельно».
Хотя щупальце осьминога признано одной из самых гибких конечностей в животном мире, что еще более впечатляет, учитывая, что оно функционирует без скелетных структур, таких как суставы, это животное, как известно, трудно изучать, и мы до сих пор не знаем точной работы поперечных, продольных и косых мышц, составляющих каждую из его восьми конечностей.
С помощью этой модели, которая упрощает «механически интеллектуальные» принципы проектирования и управления, исследователи полагают, что они приближаются к возможности использовать природу для развития этой области биотехнологии.
«Мне очень интересно учиться у живых животных и преобразовывать некоторые из идей в идеи для мягкого роботизированного дизайна», — сказал первый автор исследования Арман Текинальп.
И поскольку нам не хватает этих странно успокаивающих видео, вот еще несколько из исследования.
Создание щупальца осьминога
Рука осьминога: хватание объектов
Рука осьминога: достижение, хватание и извлечение объектов
Исследование было опубликовано в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.
