Ученые разработали модель управления движениями щупальца осьминога
Физиологически точную математическую модель мышц щупалец осьминога разработала команда ученых Иллинойского университета в Урбане-Шампейне (США), 24 февраля сообщает сайт новостей науки EurekAlert.
Модель, вдохновленная биологией, станет шагом к мягкому управлению роботом, считают ее разработчики, работающие в Лаборатории координированных исследований Иллинойского университета под руководством профессоров механики и инженерии Прашанта Мехты и Маттиа Газзолы в рамках междисциплинарного проекта.
Результаты исследования модели ученые представили в журнале Proceedings of the Royal Society A.
Для выполнения сложных движений, таких как дотягивание, хватание, подтягивание, ползание и плавание, щупальца осьминога имеют почти бесконечное количество степеней свободы.
Загадку, каким образом эти животные реализуют такой широкий спектр движений, заключенную в том числе в сложной организации и биомеханике внутренних мышц осьминогов, и пытались решить исследователи.
«Наша модель, первая в своем роде, не только дает представление о биологической проблеме, но и создает основу для разработки и управления мягкими роботами в будущем», — заявил Мехта.
Конструкторов мягких роботов, которые способны выполнять сложные задачи в неструктурированных средах, безопасно работая рядом с людьми в самых разных областях — от сельского хозяйства до хирургии — давно уже привлекают впечатляющие возможности щупалец осьминогов.
Ведущий автор исследования аспирант Хенг-Шенг Чанг пояснил, что разработка биомеханических систем с мягким корпусом, таким как щупальца осьминогов, представляет собой сложную задачу для моделирования и управления.
«Они (щупальца) приводятся в действие тремя основными внутренними группами мышц — продольными, поперечными и косыми — которые вызывают деформацию щупальца в нескольких режимах — сдвиг, разгибание, сгибание и скручивание, — пояснил Чанг. — Это наделяет мягкие мускулистые „руки“ значительной свободой, в отличие от их жестких аналогов».
Ученые решили описать мускулатуру такой «руки» с помощью функции накопленной энергии — концепции, заимствованной из теории механики сплошных сред, рассказал постдокторант и автор-корреспондент Удит Гальдер. Активация мышц изменяет функцию накопленной энергии, что приводит к сдвигу положения равновесия «руки», направляя тем самым ее движение.
Такая интерпретация управления мышцами с использованием накопленной энергии значительно упрощает конструкцию управления «рукой». В исследовании, описанном в статье, излагается методология расчета функций управления формированием энергии для мышечных активаций, необходимых при решении задачи выполнения таких манипуляций, как дотягивание и хватание в 3D-пространстве.
Выбранный учеными подход был численно продемонстрирован в программной среде Elastica. Щупальце осьминога было смоделировано в трех измерениях, и модель продемонстрировала его очень реалистичное движение.
Гальдер заявил также, что их «работа предлагает математические гарантии производительности, которых часто не хватает в альтернативных подходах, включая машинное обучение».
Мехта, в свою очередь, уточнил, что их исследование является частью более крупного проекта Университета Иллинойса CyberOctopus. В нем задействованы биологи, которые проводят эксперименты с осьминогами. Полученные ими данные по физиологии осьминогов команда Мехты использует в своей математической модели.
Далее уже робототехники применяют разработанные его командой математические идеи в разработке реальных мягких роботов. Такое сотрудничество позволяет не только создавать методику управления мягкими роботами, но и обеспечивает более глубокое понимание механизмов их работы.
