Лучия Беккаи, эксперт по мягкой робототехнике из Итальянского технологического института в Генуе, придумала идею, посмотрев документальный фильм об слонах. Она была поражена универсальностью их хоботов, способных аккуратно срезать один лист с дерева, а затем перемещать массивные бревна.
Этой универсальности не хватало современным роботам. Но что если бы исследователи смогли имитировать анатомию и функции хобота слона? Это могло бы произвести революцию в том, как роботы обращаются с предметами, найдя применение от помощи по дому до поиска выживших под завалами.
«Слоновий хобот действительно привлекателен, потому что он очень ловкий и чувствительный», — сказал Беккай. «Это сенсорный орган, который имеет большие размеры, не имеет костей, но при этом чрезвычайно универсален. Сегодня его возможности в робототехнике не имеют себе равных».
Это наблюдение послужило отправной точкой для PROBOSCIS, пятилетней исследовательской инициативы, финансируемой ЕС, которая объединила биологов, инженеров и материаловедов для расшифровки механики хобота слона.
Цель заключалась в том, чтобы выйти за рамки современных специализированных захватов и создать более универсальную роботизированную руку — такую, которая могла бы аккуратно схватить виноградину или крепко поднять тяжелый предмет, а также адаптироваться к широкому диапазону форм и текстур без существенных изменений в аппаратной части.
Стволы: единая непрерывная структура
Сегодня большинство роботов имеют жесткую руку с моторизованными шарнирами и захватом на конце — отдельные элементы с различными ограничениями. Эти роботы не могут выполнять то, что Беккаи называет «манипуляцией всем телом»: обхватывать объект всей рукой непрерывно и плавно, в отличие от хобота слона.
Туловище — это то, что биологи называют мышечным гидростатом, подобно щупальцу осьминога или человеческому языку. Состоящее из более чем 100 000 отдельных мышц и не имеющее скелета, оно может одновременно удлиняться, сокращаться, сгибаться и скручиваться в любом направлении, без различия между щупальцем и захватным устройством — это единая непрерывная структура.
Хобот также отличается удивительной прочностью и способен выдерживать нагрузку почти в 300 килограммов. У африканских слонов даже есть два небольших пальцеобразных выступа на кончике для выполнения более деликатных задач.
Простые действия, сложные результаты
Чтобы лучше понять, как функционирует ствол дерева, профессор Мишель Милинкович, эволюционный биолог из Женевского университета, возглавил группу, которая обратилась к методам кинопроизводства.
Полоса светоотражающих маркеров — подобных тем, что используются в блокбастерах — точно отслеживала движения хобота слонов, когда они манипулировали предметами различной формы, размера и текстуры в южноафриканском заповеднике. Съемка велась высокоскоростными камерами, что позволило запечатлеть удивительно эффективную систему.
«Мы поняли, что они комбинируют небольшой набор действий, — сказал Милинкович. — Укорачивание одних участков, удлинение других, изгибание других, и они объединяют их для выполнения задачи».
Хобот слона действительно привлекателен, потому что он очень ловкий. […] Сегодня его возможности в робототехнике не имеют себе равных.
Милинкович счел одно движение особенно впечатляющим. Когда слоны тянулись за голову – часто, чтобы взять лакомство у смотрителя – они не просто загибали хобот назад.
Вместо этого они выступали и временно укрепляли верхнюю часть, создавая два «псевдосустава», которые функционировали как плечо и локоть, а нижняя часть откидывалась назад, чтобы схватить лакомство.
«Это было совершенно поразительно, потому что никто раньше такого не видел. Они делают это очень быстро», — сказал Милинкович. Это показало, что туловище может образовывать отдельные участки, разделённые суставами.
Группа исследователей также провела анатомические исследования хоботов одного самца африканского и одного самца азиатского слона, образцы которых были взяты у умерших животных в зоопарке.
3D мышцы
Чтобы перевести открытия Милинковича в робототехнику, команда Беккаи сосредоточилась на кончике туловища. Они использовали 3D-печать для объединения датчиков и искусственных мышц, или приводов, в единое цельное тело. Эти пневматические, похожие на воздушные шары структуры растягиваются и сжимаются при надувании и сдувании воздухом. Варьируя их размер и геометрию, исследователи могут запрограммировать в систему определенные движения.
Для создания мягкого робота, похожего на хобот, исследователи объединили пневматические приводы с сетчатой решетчатой структурой, способной деформироваться в нескольких направлениях.
Устройство изготавливается методом непрерывной печати из одной и той же мягкой смолы и включает в себя оптические датчики, обеспечивающие обратную связь при прикосновении и изгибе кончика туловища.
«Единый материал имеет ключевое значение», — сказал Беккай. «Это действительно важно, потому что устраняет материальные и механические границы между различными компонентами, и это обеспечивает непрерывность движения в сочетании с сенсорной обратной связью».
Прототип способен удлиняться, сжиматься и сгибаться, а также выполнять такие движения, как сжатие, подхватывание и вытягивание. Эта конструкция знаменует собой шаг к созданию по-настоящему универсального захвата, способного работать со всем, от мягких, хрупких предметов до более тяжелых, нестандартных по форме вещей, с помощью единой, адаптируемой системы.
Исследовательский проект завершился в апреле 2025 года, и хотя мягкая роботизированная рука пока остается лабораторным демонстрационным образцом, команда утверждает, что она уже преодолела большинство конструктивных проблем, сдерживающих развитие современных роботизированных рук.
Бережное управление
Один из ключевых выводов, сделанных на основе наблюдений за слонами, касался контроля. Хобот содержит тысячи мышц, но слон не контролирует их все.
Вместо этого, как объяснил Беккай, их мозг контролирует небольшое количество мышечных синергетических связей, обнаруженных командой Милинковича, — скоординированное взаимодействие мышц для выполнения движения. Остальное обеспечивает физическая структура туловища.
Это показало исследователям, как сделать функциональных мягких роботов жизнеспособными за пределами лаборатории: проектировать будущие системы, основываясь на синергии, а не на отдельных исполнительных механизмах.
Моя мечта — создать в сфере здравоохранения систему, которая могла бы помогать, например, инвалидам или пожилым людям, поднимая их.
Беккай надеется, что это позволит снизить сложность и энергопотребление, благодаря чему устройства будут работать от батарей и их будет проще развертывать. Она предполагает широкое практическое применение, от сбора ягод – серьезной проблемы в современной робототехнике – до бытовых задач, таких как сортировка белья или бережное обращение с хрупкой посудой.
Подобные роботы обладают потенциалом в природоохранных целях: от уборки мусора и сортировки отходов до работы в хрупких экосистемах без нанесения вреда окружающей растительности, почве или морской жизни. В поисково-спасательных операциях мягкая рука могла бы протискиваться сквозь завалы и использовать свои тактильные ощущения, чтобы помочь найти людей..
Но больше всего Беккаи интересует вспомогательная робототехника. «Моя мечта — создать в здравоохранении систему, которая могла бы помогать, например, инвалиду или пожилому человеку, поднимая его, и одновременно подавать вилку или свежий фрукт», — сказал Беккаи.
Робот, достаточно мощный, чтобы помогать при перемещении, и в то же время достаточно бережный, чтобы обращаться с предметами повседневного обихода, мог бы позволить людям жить более независимо. И в отличие от обычной машины, его мягкость означает, что он не должен вызывать страх.
Для Беккаи целью никогда не было просто улучшение захвата. Это был робот, с которым приятно находиться рядом – сильный, когда это необходимо, и бережный, когда это важно.
Исследование, представленное в этой статье, финансировалось программой ЕС «Горизонт». Мнения опрошенных не обязательно отражают точку зрения Европейской комиссии. Если вам понравилась эта статья, пожалуйста, поделитесь ею в социальных сетях.
