Человеческая кисть легко переключается между совершенно разными движениями: пальцы могут удержать тонкую иглу, открутить крышку, подцепить сумку за ручку или обхватить крупный предмет. Роботам для похожей ловкости обычно требуется сложная механика с множеством суставов и приводов. Создатели BioflexBot отказались копировать анатомию руки и собрали манипулятор из спиральной пружины, гибкой оболочки и пневматической системы. Всего два канала со сжатым воздухом позволяют ему щипком брать мелкие предметы, вращать их, цеплять крюком и полностью обхватывать.
Работу BioflexBot определяет сама конструкция. При подаче воздуха пружина изгибается, скручивается, растягивается или сжимается, а окружающая оболочка ограничивает деформацию и направляет движение. Поэтому отдельные моторы для каждого пальца или сустава не нужны. Инженеры фактически перенесли часть управления из программного обеспечения в механику: форма и упругость деталей заранее задают реакцию манипулятора на изменение давления.
Ловкость проверили на задачах, где требуется работать с очень маленькими предметами. BioflexBot смог захватывать и перемещать иглу для акупунктуры, а затем воспользовался пипеткой для переноса жидкости. Во втором случае роботу требовалось аккуратно удерживать тонкий лабораторный инструмент и сохранять его положение во время работы с жидкостью. Эксперимент показал, что пневматическая конструкция подходит не только для грубого захвата крупных объектов.
Следующий тест проверял вращение. BioflexBot захватил бутылочную крышку и повернул её на угол почти в четыре раза больше, чем человеческая кисть в аналогичном движении. Большой диапазон обеспечило скручивание всей гибкой конструкции. Обычной роботизированной руке для похожего действия пришлось бы согласовывать движения нескольких пальцев и суставов.
Крюковой захват испытывали на ящике с инструментами и защитных очках. Манипулятор изгибался, подцеплял предмет за ручку или дужку и удерживал его без полного обхвата. Для перехода к другому типу работы не требовалось менять насадку или устанавливать отдельный захват: нужную форму принимала одна и та же гибкая конструкция.
При полном обхватывании BioflexBot приспосабливался к предметам сильно различающихся размеров. Максимальный объект в испытаниях оказался почти в 13 раз крупнее предметов, с которыми способны работать сопоставимые роботизированные системы. Такой диапазон связан со способностью манипулятора менять геометрию целиком, а не только разводить несколько пальцев на фиксированное расстояние.
По продольному диапазону движения BioflexBot тоже превзошёл человеческую кисть. Манипулятор может растягиваться и сокращаться в 3,5 раза сильнее в использованном авторами сравнении. Большой ход позволяет дотягиваться до удалённых объектов, проникать глубже в тесные пространства и передавать предметы там, где жёсткой роботизированной руке не хватает длины или подвижности. BioflexBot также может последовательно переносить несколько объектов.
Инженеры проверили возможности робота в трёх практических сценариях. В первом BioflexBot использовали для осмотра лопаток авиационного двигателя. Внутри двигателя детали расположены близко друг к другу, поэтому обычному жёсткому манипулятору трудно добраться до некоторых участков. Гибкий корпус BioflexBot может вытягиваться и изгибаться между элементами конструкции, сохраняя возможность работать захватом.
Во втором эксперименте манипулятор установили на человекоподобного робота и поручили ему повседневные действия с предметами. Проверка требовала переключаться между разными способами захвата без замены рабочего органа. BioflexBot менял конфигурацию за счёт давления воздуха и выполнял несколько операций одной конструкцией.
Третье испытание прошло в химической лаборатории , где BioflexBot участвовал в эксперименте. Лабораторные процедуры требуют сочетать точные движения с захватом ёмкостей и других предметов разного размера. Ранее работа с иглой и пипеткой уже подтвердила способность манипулятора обращаться с тонкими инструментами, а большой диапазон деформации позволил использовать ту же конструкцию для более крупных объектов.
Авторы называют заложенный в устройство принцип структурным и физическим интеллектом. Часть поведения робота определяют геометрия и механические свойства корпуса: после подачи воздуха пружина и оболочка сами направляют деформацию по заранее заданной траектории. Системе управления не приходится отдельно рассчитывать положение множества суставов. В мягкой робототехнике близкий принцип называют морфологическими вычислениями, когда свойства корпуса помогают выполнять задачи, которые в жёстком роботе потребовали бы дополнительных приводов и вычислений.
Простая механика одновременно дала BioflexBot точный щипковый захват, вращение, крюковой захват, широкий обхват и большой продольный ход. При этом управление всеми движениями построено всего на двух пневматических входах. Авторы рассчитывают использовать ту же схему в недорогих манипуляторах для промышленности, лабораторий и человекоподобных роботов.
Пока BioflexBot остаётся экспериментальным прототипом. Следующий этап работы предполагает полностью автоматизировать платформу, чтобы робот мог выполнять продемонстрированные операции без ручного управления пневматической системой.