«Они использовали жесткие захваты типа Jaws of Life, разработанные для нефтегазовой промышленности, которые были полностью подавлены и разрушали вещи», — вспоминает Вуд. "Сразу стало понятно, что существует решение для мягкой робототехники, которое может оказаться жизнеспособным."
В последующие месяцы пара сотрудничала в разработке, изготовлении и испытании мягких роботизированных захватов для глубоководного сбора хрупких биологических образцов. Их недавняя экспедиция в Эйлатский залив в северной части Красного моря, уникальную морскую экосистему, в которой находится один из крупнейших и самых разнообразных коралловых рифов в мире, ознаменовала первое использование мягкой робототехники для неразрушающего отбора проб фауны со дна океана.
Новая технология может расширить возможности исследователей по сбору образцов из практически неизученных мест обитания на глубине тысячи футов под поверхностью океана, районов, которые, по мнению ученых, являются горячими точками биоразнообразия, изобилующими неизвестной жизнью.
Мягкие захваты также могут быть полезны в подводной археологии.
Как описано в статье, опубликованной сегодня в журнале Soft Robotics, команда успешно разработала два типа захватов и в процессе продемонстрировала новую технику изготовления, которая позволяет быстро создавать мягкие приводы.
Грубер, доцент кафедры биологии и экологии в Колледже Баруха Городского университета Нью-Йорка и научный сотрудник Американского музея естественной истории, исследует глубоководные экосистемы океана, уделяя особое внимание организмам, которые проявляют биолюминесцентные и биофлуоресцентные свойства. (Биолюминесцентные животные излучают свой собственный свет; биофлуоресцентные животные поглощают свет и переизлучают его в другом цвете.)
Когда он хочет посетить коралловый риф ниже максимальной глубины, доступной для дайверов, Грубер должен полагаться на дистанционно управляемый аппарат (ROV). Но есть проблема: стандартные роботизированные «руки» подводных ROV плохо подходят для сбора хрупких кораллов, губок и других образцов.
Это потому, что оборудование предназначалось для подводного строительства, а также для монтажа и ремонта подводных трубопроводов.
Для манипулирования хрупкими организмами со дна моря и их захвата требуется что-то, что имитирует ловкость и мягкость рук человека-водолаза.
Вуд, Чарльз Ривер, профессор инженерных и прикладных наук Гарвардского университета Джон А. Школа инженерии и прикладных наук Полсона (SEAS) и член-основатель Института биологической инженерии Висса при Гарвардском университете признали, что мягкая робототехника предназначена для решения этой задачи.
Дизайн, изготовление и захват овощей
Инженер-механик Института Вуда и Виса Кевин Гэллоуэй приступил к разработке двух типов рук, которые заменят заводской металлический захват ROV, каждая из которых способна аккуратно извлекать предметы разных размеров и форм. Один, вдохновленный скручивающимся действием удава, может проникать в ограниченные пространства и сжимать небольшие предметы и предметы неправильной формы.
Другая модель, выполненная в виде сильфона, имеет противоположные пары приводов для гибки.
Чтобы облегчить быструю модификацию и ремонт в полевых условиях, команда сделала упор на простую конструкцию, недорогие материалы и модульную конструкцию.
Это означало, что они могли попробовать несколько конфигураций и сделать их в большом количестве. Управление технологического развития Гарварда подало заявку на патент на метод команды по производству мягких приводов сильфонного типа.
Этот метод масштабируем, что открывает широкий спектр коммерческих, биомедицинских и промышленных применений для этого типа привода.
По словам Вуда, самой большой проблемой дизайна было отсутствие точных спецификаций. Они не проектировали роботизированный манипулятор, чтобы постоянно прикреплять двери к кузовам автомобилей на заводе по сборке автомобилей.
У команды не было возможности узнать размер, форму или жесткость объектов, которые они будут отбирать на дне океана. Чтобы приблизить вероятные образцы, они посетили проход с продуктами и принесли ассортимент овощей — сельдерей, редис, морковь и бок-чой — привязали их к металлической решетке и бросили в испытательный резервуар в Университете Род-Айленда. После исчерпывающих испытаний танка устройства прошли испытания на глубине более 800 метров у побережья Род-Айленда.
Полевые испытания привели команду к израильскому Эйлатскому заливу в северной части Красного моря в мае 2015 года. Там они совершили более дюжины погружений на глубину от 100 до 170 метров (558 футов — или на такую глубину, насколько высок памятник Вашингтону). Большинство погружений включали маневры «поймал и отпустил» для проверки производительности системы. Но они действительно манипулировали захватами для извлечения образцов тонких (и относительно обильных) красных мягких кораллов, а также трудноуловимых коралловых кнутов, вынеся их на поверхность в целости и сохранности в грузовом поддоне ROV.
Следующие шаги
Просто сбор образцов, которые трудно собрать, — еще не конец. Такие исследователи, как Грубер, надеются применить эти методы для измерения организмов in situ и, в конечном итоге, для экспрессии генов и транскриптомного анализа.
Проведение этой работы на дне морского дна вместо того, чтобы выносить образцы на поверхность, означает, что организмы не подвергаются стрессу от изменений температуры, давления и света, а также меньше нарушается рифовая система.
Что касается робототехники, у Вуда есть список улучшений производительности, которые он надеется реализовать.
ТПА текущего поколения полагаются исключительно на визуальную обратную связь — прямую видеотрансляцию с бортовой камеры — но он хотел бы добавить тактильную обратную связь, применив опыт своей лаборатории в области мягких датчиков, чтобы оператор действительно «почувствовал», что такое захват. трогательный. Он также интересуется экспериментами с двусторонними манипуляциями, а не с одной рукой, чтобы улучшить ловкость рук.
Наконец, команда хочет пойти глубже — буквально. Во время погружений в Красном море система работала на глубине до 200 метров.
Они предполагают проведение полевых работ в неизведанных мирах на глубине 6000 метров под землей.