Исследователи из Университета Дьюка разработали новую роботизированную систему, которая бросает вызов традиционным принципам проектирования, отдавая предпочтение равномерному движению во всех направлениях, а не человекоподобной форме.

Руководствуясь этой концепцией, команда смоделировала более 1500 конфигураций роботов, чтобы найти конструкцию, максимально приближенную к теоретическому пределу их возможностей.

Получившийся робот по имени Аргус не имеет четко выраженного «переднего» или «заднего» края. У него 20 модульных телескопических ног, расположенных радиально вокруг центрального ядра, и на каждой ноге установлена камера глубины.

По словам разработчиков, необычная конструкция позволяет Argus эффективно перемещаться и сохранять устойчивость на различных поверхностях, а также выполнять сложные пространственные манёвры в различных условиях.

Изотропная конструкция

Возможности Argus обусловлены математически обоснованным принципом проектирования, разработанным командой, — динамической изотропией. Большинство современных роботизированных систем, включая продвинутые четвероногих роботов, гуманоидов и обычные дроны, обычно набирают менее 0,6 баллов по этому показателю. Argus же набрал 0,91 балла, что близко к теоретическому максимуму.

Такая высокая степень симметрии позволяет повысить производительность практически по всем ключевым показателям робототехники, включая отслеживание траектории, энергоэффективность, устойчивость к повреждениям, надежность и успешность навигации в сложных условиях. Этот принцип также служит единой системой оценки, применимой к существующим роботизированным платформам.

Вместо того чтобы делать упор на человекоподобную форму, в дизайне подчеркивается функциональная симметрия в движении. Система объединяет управление всем телом с восприятием всего тела, обеспечивая слаженную работу двигательных и сенсорных функций. Argus оснащен 20 модульными телескопическими ножками, каждая из которых оснащена камерой глубины и расположена радиально вокруг центрального ядра.

Эти конечности расположены в соответствии с правильной геометрией додекаэдра — структуры, состоящей из 12 пятиугольных граней, — что обеспечивает равномерное распределение силы и обзора. Такая конфигурация позволяет роботу сохранять сбалансированное ускорение и одинаковое поле зрения во всех направлениях, избавляя от необходимости фиксировать переднюю или заднюю часть и обеспечивая высокую адаптивность при передвижении в различных условиях.

Машины с динамической симметрией

Исследователи утверждают, что возможности этой конструкции впечатляют, что подтверждается экспериментами, проведенными в кампусе Университета Дьюка на песке, лесных тропинках, траве, бетоне и влажных поверхностях.

Argus может передвигаться по любой из этих поверхностей независимо от их ориентации, преодолевая препятствия высотой до 13 сантиметров. Он быстро стабилизируется после толчка и продолжает движение, даже если три его ноги повреждены, демонстрируя высокую отказоустойчивость. Робот также способен нести груз весом 10 фунтов (4,5 килограмма) почти на полной скорости, сохраняя равновесие и мобильность.

Помимо передвижения, Argus может взбираться по вертикальным стенам, чередуя опору и отталкивание на разные группы из 20 своих ног. Он также может отслеживать и толкать куб со стороной 90 см, непрерывно перекатываясь, демонстрируя скоординированное восприятие и движение в меняющихся условиях. Эти способности были полностью освоены с помощью симуляции, а затем перенесены в реальную среду, что подчеркивает эффективность базовой концепции.

Более широкое применение этой работы не ограничивается одним роботом. Динамическая симметрия — это общий математический метод оценки, сравнения и проектирования роботизированных систем, основанный на единообразии движения. Исследование сопровождалось масштабным моделированием более 1500 морфологий, что позволило другим группам ученых продолжить изучение пространства проектирования.

По мнению команды разработчиков, Argus — это первая демонстрация более широкого класса роботов, построенных не на имитации биологических процессов, а на фундаментальном принципе сбалансированной работы, не зависящей от направления движения.

«Нам нужны не просто роботы, которые следуют инструкциям. Нам нужны роботы, которые помогут нам узнать о мире то, что мы не смогли бы узнать никаким другим способом, а для этого иногда нужно сначала найти подходящее тело для решения задачи», — сказал Боюань Чен, руководитель этого исследования и директор Лаборатории общей робототехники Университета Дьюка.