Как научить робота падать, но не сдаваться — советы от белок

Робот Salto (Saltatorial Locomotion on Terrain Obstacles) — один из самых динамичных и узнаваемых роботов последних лет. Впервые его представили в 2016 году как часть проекта лаборатории Рона Фиаринга в Беркли: маленький, подпружиненный, размером с ладонь, он совершал впечатляющие прыжки по замкнутой траектории.

Salto изначально создавали для изучения динамического прыжкового движения. Основная особенность его конструкции — единственная подпружиненная нога, с помощью которой он совершает мощные вертикальные прыжки и может быстро перенаправлять движение. За девять лет Salto научился прыгать по улице, справляться с полосами препятствий и даже приземляться в сложных условиях. Периодически он взрывался, но это только добавляло ему популярности.

Salto весит всего 100 граммов, но способен прыгнуть на высоту более метра и перемещаться со скоростью более 3 метров в секунду. Для этого он использует:

• силовую пружину, накапливающую энергию при сжатии,
• двигатель с планетарной передачей, обеспечивающий быструю перезарядку пружины после каждого прыжка,
• микропропеллеры, управляющие креном и рысканием в воздухе,
• инерциальный модуль навигации (IMU) для ориентации в пространстве,
• алгоритмы планирования движения в реальном времени, обеспечивающие стабильность и точность прыжков.

Прыжки — одна из самых сложных форм передвижения для роботов. Это не просто отрыв от поверхности и возврат на нее: в прыжке сочетаются динамика, управление, баланс и способность адаптироваться к непредсказуемой среде.

Исследовательская группа начала с изучения лесных мастеров прыжков — белок. Наглядную демонстрацию эксперимента можно посмотреть по ссылке.

Белки — отличные прыгуны благодаря нескольким особенностям. У них высокое соотношение силы к массе: на каждый килограмм тела они развивают большую мощность. Во время прыжка белки активно управляют положением тела в воздухе — используют хвост, лапы и даже изгибают позвоночник, чтобы сохранить равновесие. Кроме того, они умеют анализировать рельеф и при необходимости менять траекторию полета, чтобы увернуться от препятствий.

Белки не хватаются за ветки в привычном смысле. У них нет цепких пальцев, как у приматов. Их секрет — активный контроль равновесия после касания поверхности. Они буквально «приземляются в движении», используя передние лапы и гибкий позвоночник, чтобы мгновенно корректировать положение тела. Это требует не только координации, но и невероятной адаптивности.

Эти грызуны обладают не только феноменальной прыгучестью, но и способностью точно корректировать траекторию в полете и мягко приземляться практически в любых условиях. Когда белка прыгает с ветки на ветку, она решает сразу несколько задач: точный расчет траектории, стабилизация тела в полете, мягкое и безопасное приземление.

Робот сталкивается с теми же вызовами. Для успешного прыжка и устойчивого приземления Salto должен:

• Точно попасть в цель — на узкую жердочку, имитирующую ветку.
• Стабилизировать тело во время полета.
• Погасить избыточную инерцию при приземлении.
• Сохранить равновесие, не захватывая ветку.

Исследователи поняли: ключ к устойчивому прыжку не только в том, насколько сильно ты оттолкнешься. Контроль тела в полете и погашение энергии при посадке также очень важны.

Одним из важных решений стала интеграция в робота вращающегося колеса, с помощью которого Salto управляет своим положением в воздухе. Он выполняет ту же функцию, что и размах рук у человека: позволяет корректировать положение тела в воздухе. Так, когда мы поскальзываемся, руки позволяют нам вернуть баланс. В той же логике робот вращает маховик, чтобы сместить центр тяжести и удержать нужную ориентацию при полете и приземлении.

Но даже этого оказалось недостаточно. Ученые добавили алгоритмы, имитирующие поведение белки: при «недолете» Salto автоматически чуть приседает, а при «перелете» — выпрямляется. Такая адаптация снижает риск падения и увеличивает точность посадки.

Исследования показали, что при приземлении белка поглощает до 86% кинетической энергии передними лапами, по сути, делая стойку на руках. С этим знанием инженеры модифицировали ноги Salto, внедрив механизм реверсивного торможения: двигатели, обычно отвечающие за прыжок, переключаются в тормозной режим при приземлении. Это позволяет частично гасить инерцию и позволяет роботу зафиксироваться на ветке в нужной позе.

Особое внимание уделили и контролю крутящего момента. Поскольку у Salto нет цепких лап, робот вынужден полагаться исключительно на баланс и точную работу маховика. Команда из Беркли сознательно усложнила задачу: они разработали пассивную систему захвата с низким трением, минимизируя влияние сцепления на успешность приземления.

Неожиданно, но именно одна нога оказалась наилучшим решением для высоких прыжков. Механика прыжка такова, что при достаточно высокой амплитуде обе ноги отрываются и касаются земли почти одновременно — и потому нет принципиальной разницы между их количеством. Зато с одной ногой можно сосредоточить всю энергию на едином импульсе, что особенно полезно в условиях с ограниченной массой и энергией — например, при исследовании других планет.

Разработанные стратегии — не просто инженерные трюки. Они открывают путь к созданию автономных роботов, способных исследовать сложные природные или индустриальные ландшафты. От крон деревьев до спутников Сатурна — там, где важны точность, устойчивость и умение прыгать, новые решения уже работают.

Один из первых создателей Salto Джастин Йим, теперь профессор Университета Иллинойса, нашел для него перспективную нишу — исследования на Энцеладе, спутнике Сатурна.

Энцелад — загадочный ледяной спутник, полностью покрытый 40-километровым слоем льда. Под ним — океан глубиной 10 км, возможно, с формами жизни. Проблема: как добраться до образцов, не погружаясь в лед? Решение — использовать криовулканы на южном полюсе. Эти гейзеры выбрасывают в космос водяной пар, лед и органику, и любой робот, способный подлететь достаточно близко, сможет собрать исследовательский материал на лету.

Типичный марсоход не справится с условиями на Энцеладе. Он не сможет передвигаться по неровному рельефу с гребнями и ледяными трещинами, не взлетит из-за отсутствия атмосферы, а реактивные двигатели загрязнят ценные образцы.

Совсем другое дело — прыгающий робот с пассивной механикой. Он не зависит от атмосферы, не оставляет следов и способен использовать слабую гравитацию спутника (всего 1/80 от земной) себе на пользу. Прыжок, который на Земле дал бы один метр высоты, на Энцеладе превращается в полет до 100 метров вверх и десятки метров вперед.

Джастин Йим и Итан Шалер из Лаборатории реактивного движения NASA (JPL) работают над проектом LEAP — компактной версией робота Salto, адаптированной к экстремальным условиям спутника Сатурна. Разработка финансируется через программу перспективных концепций NASA (NIAC).

LEAP создается как легкий и маневренный робот, способный перемещаться по поверхности с ледяными трещинами и рыхлым грунтом — прыжками и перекатываниями. Вместо пропеллеров — реактивные колеса, которые обеспечивают ориентацию в полете и выравнивание после посадок. Защищенный корпус смягчает удары при неудачных приземлениях.

Робот сможет совершать серию прыжков через активные гейзеры — шлейфы криовулканов, собирая научные данные, а затем возвращаться к орбитальному модулю. Такой подход минимизирует риск загрязнения: LEAP не нуждается в атмосфере и не оставляет следов.

Ключевой вывод всех экспериментов: успех в мобильной робототехнике — не в точности, а в корректировке движения после ошибок. Белки редко попадают точно в цель, но почти всегда удерживаются. Salto учат тому же: быть устойчивым, а не идеальным. Будущее мобильной робототехники — за устройствами, которые умеют справляться с неожиданностями. Будь то ветка дерева или ледяная трещина на далеком спутнике — главное, уметь приземлиться и продолжить путь. Salto показывает: иногда, чтобы сделать большой шаг в космосе, нужно просто хорошо прыгнуть.