Робот, который прыгает выше всех [Veritasium]
Вот сайт с шаурмой. Likes.
Этот небольшой робот весит меньше теннисного мячика и прыгает выше всего на свете. Соревнованиях по прыжкам в высоту среди роботов рекорд до сих пор составлял 3 метра 70 сантиметров, достаточно чтобы перепрыгнуть одноэтажный дом. Этот робот прыгает до тридцати одного метра, выше 10 этажей, примерно как от подножия Статуи Свободы до уровня ее глаз.
Прыжком называют действие, отвечающая двум критериям. Во-первых, начинается она с отталкивания от земли, то есть квадрокоптеры не считаются, они отталкиваются от воздуха. Во-вторых, в процессе не должно быть потери массы, например, нельзя сказать, что ракеты подпрыгивают, потому что они постоянно выбрасывают отработанное топливо. Не прыгает и выпущенная стрела: чтобы сказать, что она прыгает, вместе с ней должен лететь и лук. Зато прыгают живые существа, начиная с песчаных блох и кузнечиков до кенгуру. Они отталкиваются от земли за счет разового движения мышц.
Высота прыжка зависит от количества энергии, приложенной в момент движения. Хотите прыгать выше — наращивайте силу мышц. В природе лучше всех прыгают крошечные зверьки. Дело в том, что за прыжки у них отвечает 30 процентов всей мышечной массы. Благодаря этому примат размером с белку может подпрыгнуть с места больше чем на 2 метра. У них очень маленькая верхняя часть тела и передние лапки, а внизу огромные прыгучие записи.
Дело не в каких-то особенностях строения мышц, их просто больше. Можно найти довольно затейливые прыгающие игрушки, а в детстве у меня были вот такие попперы. Если их вывернуть, происходит деформация, и в ней накапливается энергия. По сути, получается пружина, которая, как и животные, прикладывает к паре всю накопленную энергию за раз, подпрыгивая высоко вверх.
Все эластичные прыгуны работают по одному принципу: накапливают энергию при сжатии, а потом единоразово высвобождают ее, чтобы совершить прыжок. Но игрушки, которые были у нас в детстве, не идут ни в какое сравнение с этим маленьким роботом. Я многое уже снимал, но это оказалось, пожалуй, сложнее всего. Робот очень маленький, он моментально разгоняется и во время полета преодолевает очень большое расстояние. Сам момент прыжка настолько быстрый, что его даже не замечаешь.
Но где же пригодится прыгающий робот? По мнению инженеров, на других планетах и спутниках, особенно там, где атмосфера разреженная или ее вообще нет. На Луне, где гравитация составляет всего 6 чая земной, этот робот сможет прыгать на 125 метров высоту и на пол километра вперед. Rover с трудом справляются с уступами и глубокими кратерами, а такой прыгун может запрыгивать и выпрыгивать куда надо, собирая образцы.
Прыжок — очень энергией эффективное действие. Если придумать, как возвращать кинетическую энергию в пружину при посадке, потери сведутся практически к нулю. Разработчики уже приступили к изготовлению самых разных прыгучих роботов. Некоторые умеют выравнивать свое положение после приземления, готовы прыгать снова. Другие можно направлять: их три подвижные ножки позволяют прицеливаться в нужную сторону.
Здесь мы взяли и добавили три дополнительные ножки, которые не накапливают энергию, но служат опорами и позволяют выбрать направление, куда надо прыгать. Как же устроен этот прыгающий механизм? Основная его часть состоит из четырех узких пластинок углеродного волокна, соединенных эластичными лентами. Такая конструкция формирует пружину, в которой собирается энергия, необходимая для прыжка.
Наверху находится небольшой моторчик, от него до нижней части робота протянута прочная нить. Мотор накручивает ее на себя, робот сжимается, накапливая энергию в углеродных пластинках и резиновых лентах. Примерно за полторы минуты конструкция робота сжимается до максимума. Как понять, что пора? Смотрим, когда нижняя часть достаточно возьмется внутрь, чтобы он не падал. Так сейчас неустойчивы — тогда пора.
В нужный момент срабатывает спусковой механизм, нить резки разматывается на полную длину, и вся накопленная в пружине энергия выпускается. Разум робот срывается с места и разгоняется до сотни километров в час за какие-то 9 миллисекунд. Получается ускорение больше 300 g. Такого не пережила бы, вероятно, ни одно живое существо.
Осторожно, смотри смотри. Но почему этот робот прыгает настолько выше всего остального — почти в 10 раз выше, чем предыдущий рекордсмен? Конструкции предусмотрены три особенности. Во-первых, маленький вес — всего 30 граммов. Этого добились благодаря крошечному мотору и батарейке. Основная часть сделана из очень легких углеродных материалов, сама же является пружиной, а резина из натурального латекса способна накопить больше энергии, чем почти любой другой эластичный материал — 7000 джоулей на килограмм.
Вся конструкция разработана именно под конкретную задачу. Сначала разработчики хотели использовать конструкции резинки, алюминиевые трубки на шарнирах, но во время сжатия такой пружины требуемое усилие максимально в начале, уменьшается к концу. Такое ощущение, что внезапно стало гораздо легче тянуть. Если использовать только углеродные пластины, требуется значительное усилие самого начала, которое в дальнейшем линейно возрастает до становится тяжелее постепенно.
В итоге эти два подхода решили совместить. В итоге график силы получился практически идеально ровным на всем протяжении сжатия. Начать довольно сложно, а дальше можно тянуть с одной и той же силой. Благодаря этому энергия накапливается в два раза больше, чем в обычной пружине, где требуемое усилие возрастает по мере нажатия. Команда заявляет, что это самая эффективная пружина в истории.
Иногда нити рвутся или бывает, что она срывается раньше, чем должна. "Порвалась, сейчас поменяю на новую, сейчас вернусь". Наверное, вы думаете, что чем легче механизм, тем лучше, особенно если лишний вес — это просто болванка, а не какая-нибудь пружина или моторчик. Устройство, мы добавляем кусочек стали, и тогда он подпрыгивает выше. Разместить его надо обязательно верхней части, нужно, чтобы движимая часть была как минимум не легче, чем нижняя.
Если верха кажется легче, то энергия будет передаваться очень неэффективно, робот будет хуже прыгать. Но главный секрет таких высоких прыжков этого робота в том, что можно назвать аккумуляции работы. В отличие от животных, которые прыгают за счет единичного движения мышц, созданная командой конструкция способна накапливать энергию множества движений в случае робота — поворотов моторчика.
Поэтому и хватает такого маленького мотора: нет необходимости поставлять всю энергию разом, ее можно постепенно накапливать за несколько минут. Тут в каком-то смысле обменяли энергию на время. Да, именно такая возможность появляется благодаря фиксирующим элементам, которые не дают нити размотаться, пока робот не сожмется полностью.
Что интересно, своего рода защелки используют и некоторые живые существа, например, песчаные блохи, которые для своих размеров подпрыгивают очень высоко. В ноге есть мышца, крепится как-то так прямо под коленным суставом. Когда она сокращается, нога не выпрямляется. Напротив, мышца и изгибает, но вот тут есть другая мышца, которая оттягивает первую.
Сюда движение совсем небольшое, но мышцы оказываются с другой стороны над коленным суставом. Ничего себе, то есть работают вот эти две мышцы? Да, вот это накапливает энергию, а вот это — спусковой механизм. Тут мышцы — такой механизм разворота усилия, она срабатывает, и блоха резко прыгает.
Пусть даже такой механизм существует в живой природе, нет таких существ, которые бы для прыжков с места аккумулировали работу где-то в собственном организме. Однако есть наблюдения, как паукообразные обезьяны хватаются за ветку, тянут ее ближе, перебирая лапами, чтобы запустить себя подальше вперед. Еще есть полки, которые выстреливают паутиной и подтягиваются по ней, а затем отпускают, будто выстреливая с собой из рогатки.
Это же рогатка? Да, именно. Кажется, их часть этого и назвали. Мы взяли лунные ботинки, чтобы узнать, помогут ли они прыгать выше. Неплохо, так ладно. Ох, по ощущениям, как будто сработала. Но и льет! Сказал, что когда прыгаешь с места, от них не очень много толку.
По чуть-чуть, по чуть-чуть, и потом прыгаешь. Если сначала распрыгаться, можно накопить в эластичных лентах немного энергии и за счет нее на следующей попытке подпрыгнуть выше. Годами прыгающий механизм и создавали, адаптируя принцип живой природы. Но аккумуляция работы дает неожиданные преимущества: если благодаря долгой работе и моторчика можно накопить много энергии для прыжка, мы больше не ограничены мощностью мотора.
Все теперь зависит от пружины, и можно сосредоточиться на том, чтобы сделать ее сильнее. Высота прыжка этого робота практически максимально для такого типа пружины. Даже если взять бесконечно легкий мотор, который работает бесконечно долго, этот гипотетический робот подпрыгнет всего лишь на 19 процентов выше существующего. Если учитывать сопротивление воздуха и аэродинамику, еще один способ запустить робота выше — масштабировать его в 10 раз.
Тогда он подпрыгнет на 15-20 процентов выше. Мы где-то посередине. Сопротивление воздуха мы ощущаем, но гораздо меньше, чем, например, песчаная блоха. Если робот в 10 раз больше, то сопротивлением воздуха можно пренебречь. Это возможно, потому что если пропорционально увеличить робота в 10 раз, площадь лобового сопротивления увеличится в 100 раз.
При этом сила сопротивления тоже увеличится, но масса робота вырастет в тысячу раз. Это значит, у него вырастет инерция, а сила сопротивления воздуха будет влиять слабее. Концепция аккумуляции работы может обеспечить прорыв в разработке роботов. Пока что моторы и роботов приходится делать относительно небольшими, чтобы оставаться подвижными. Но накопление энергии за счет продолжительного вращения мотора позволит роботам запасать, а затем высвобождать огромное количество энергии, и благодаря этому обновлять мировые рекорды. Переведено и озвучено студией Арт Дай Дар.