Однограмовий робот навчився стрибати сходами без пружин

Інженери Вашингтонського університету розробили крихітного робота DirectHop масою лише близько 1 грама, який може перестрибувати через сходинки, приземлятися та самостійно повертатися у робоче положення. На відміну від багатьох мініатюрних стрибальних роботів, нова конструкція не використовує пружини для накопичення енергії. Рух забезпечує невеликий електродвигун.

Розробка поки залишається дослідницьким прототипом і не здатна повністю автономно пересуватися. Водночас науковці розглядають її як основу для майбутніх груп мініатюрних роботів, які зможуть працювати там, де великим машинам складно пересуватися.

Як працює DirectHop

Головна особливість робота полягає у незвичному механізмі стрибка. Двигун з’єднаний із конструкцією корпусу за допомогою тонкої волосіні. Коли мотор набирає обертів, він намотує волосінь і переміщується вгору невеликою вежею, одночасно піднімаючи корпус робота над поверхнею.

Під час стрибка три складні шарнірні ніжки розкриваються та допомагають утримувати двигун на одній осі з опорною частиною. Змінюючи струм, який подається на мотор, дослідники можуть керувати висотою стрибка. За даними команди, точність налаштування становить приблизно 1 см.

Такий підхід відрізняється від поширеної схеми з пружиною. У звичайних стрибальних мікророботах пружина спочатку накопичує енергію, а потім різко вивільняє її. Це дає змогу отримати потужний імпульс, але ускладнює точне керування дальністю стрибка.

Для пристроїв масою близько 1 грама проблема стає ще помітнішою: зі зменшенням розмірів пружини, фіксатори та інші механічні елементи стають складнішими у виготовленні й налаштуванні. DirectHop позбавляється частини цієї механіки завдяки використанню електродвигуна, яким можна безпосередньо керувати.

Жаба допомогла створити механізм, а черепаха — систему приземлення

Під час створення робота дослідники надихалися одразу двома тваринами. Механіка стрибка частково повторює принцип роботи м’язів жаб’ячих лап, які безпосередньо створюють необхідний рух. Для системи відновлення після приземлення команда використала ідею черепахи-боксерки.

Після стрибка DirectHop не завжди приземляється на опору. Робот може опинитися на боці, тому його оснастили захисною рамою. Вона приймає на себе навантаження та дає конструкції змогу відновити правильне положення.

Для повернення у вихідне положення дослідники переміщують двигун вниз центральною вежею. Через це змінюється положення центра ваги, і робот перекочується назад на опору.

Під час експериментів така система давала змогу відновити правильне положення приблизно у 90% випадків. Це особливо важливо для багаторазових стрибків: одного успішного стрибка недостатньо, якщо після приземлення робот не може підготуватися до наступного.

Найскладніше завдання — зробити робота автономним

Поки DirectHop не можна назвати повністю автономним роботом. Прототип отримує живлення через кабель, а керування здійснюють дослідники. Крім того, пристрій не здатний самостійно визначати напрямок руху та відстань, на яку йому потрібно стрибнути.

Наступний етап розробки передбачає додавання одразу кількох компонентів:

• мініатюрної акумуляторної батареї та сонячних елементів;
• вібраційного двигуна для зміни напрямку руху;
• висувних ніжок для регулювання кута стрибка;
• камери та навігаційної електроніки.

У перспективі робот має самостійно виявляти сходинку, розраховувати необхідну траєкторію, коригувати положення перед стрибком і після приземлення готуватися до наступного переміщення. Саме перетворення послідовності контрольованих стрибків на повністю автономний рух стане головним випробуванням конструкції.

Навіщо потрібні роботи масою близько 1 грама

Мініатюрні роботи можуть бути корисними у ситуаціях, де використання звичайних наземних машин неможливе або економічно недоцільне. Дослідники розглядають кілька потенційних сценаріїв: обстеження промислових об’єктів, моніторинг сільськогосподарських територій і дослідницькі місії в інших середовищах, зокрема на планетах.

Водночас ключова перевага може полягати не у можливостях одного пристрою, а у використанні одразу великої кількості таких роботів. За оцінкою розробників, повністю оснащений варіант DirectHop потенційно може коштувати близько $10, тобто приблизно 450 грн за курсом НБУ на 2 жовтня 2026 року.

Якщо вартість справді вдасться втримати на такому рівні, втрата одного робота під час складної місії не буде критичною. Група невеликих пристроїв зможе працювати разом із більшими роботами, розподіляючи між собою завдання та перебираючи на себе частину ризику.

До практичного застосування ще далеко

Головне обмеження нинішнього DirectHop полягає в тому, що майже всі ключові елементи автономної роботи ще перебувають на стадії розроблення. Роботу необхідно навчитися самостійно отримувати енергію, орієнтуватися у просторі, обирати точку приземлення та коригувати положення після кожного стрибка.

Водночас сама концепція показує, що для створення надмалого стрибального робота необов’язково використовувати складну пружинну механіку. Керований електродвигун дає змогу одночасно отримати компактну конструкцію та досить точно регулювати параметри стрибка.

З практичного погляду розробка цікава саме поєднанням мінімальної маси та здатності долати вертикальні перешкоди. Якщо науковцям вдасться додати автономне живлення та навігацію, подібні роботи зможуть стати частиною розподілених систем моніторингу, у яких велика кількість недорогих пристроїв виконує спільне завдання.