Концепция биомиметики, то есть подражания природе, лежит в основе современных разработок в области гуманоидной робототехники. Начиная с 2006 года, программа Festo Bionic Learning Network исследует природные механизмы с целью их адаптации для промышленных технологий. За два десятилетия существования программы было создано множество прототипов, вдохновленных животным миром: птицами, рыбами, кенгуру и другими.
Идея заключается в том, что биологические системы, совершенствовавшиеся миллионы лет, уже нашли решения для многих задач, связанных с эффективностью, легкостью и адаптивностью, которые инженеры пытаются решить с помощью традиционных подходов. Копирование этих принципов, а не форм, может привести к созданию инновационных решений.
От плавника рыбы к адаптивным захватам
Одним из наиболее известных проектов, определивших направление программы, стал Bionic Handling Assistant 2010 года, вдохновленный щупальцем осьминога. Он сочетал в себе подвижность, легкость и безопасность взаимодействия с людьми и объектами, предвосхищая концепцию коллаборативной робототехники. Его пневматическая система позволяла безопасно захватывать хрупкие предметы, автоматически подстраиваясь под их форму.
За несколько лет до этого, в 2007 году, проект Aqua Ray продемонстрировал возможности летающих и плавающих объектов, вдохновленных животным миром. Искусственная манта двигалась в воде, используя движение крыльев, приводимое в действие «водяными мышцами» — пневматической технологией, разработанной Festo. Этот проект положил начало серии подводных и летающих прототипов, включая пингвинов, стрекоз, ласточек и пчел.
BionicKangaroo 2014 года стал важным достижением в области рекуперации энергии в механических системах. Подобно кенгуру, которое накапливает энергию при приземлении и использует ее для следующего прыжка, прототип Festo использовал пневматическую систему рекуперации, возвращая значительную часть затраченной энергии. Этот принцип применяется в современных приводах и промышленных системах перемещения.
Проект BionicANTs 2015 года сосредоточился на коллективном поведении. Каждый роботизированный муравей был автономен, но они координировали свои действия через мгновенные коммуникации, без централизованного управления. Эта распределенная система позволяла выполнять сложные задачи через сотрудничество, что наглядно демонстрировало возможности гибких производственных систем и сетей промышленных роботов.
BionicBee и поворот к «биологизации»
В 2024 году программа представила два проекта, демонстрирующих новые направления исследований.
BionicBee — самый маленький летающий объект, созданный Bionic Learning Network. Его вес составляет 34 грамма, длина — 220 миллиметров, а размах крыльев — 240 миллиметров. Искусственная пчела летает с частотой взмахов крыльев от 15 до 20 Герц, управляемая бесщеточным двигателем и тремя серводвигателями, которые изменяют геометрию крыла для управления креном, тангажом и рысканием — четыре степени свободы в миниатюрном пространстве.
Наиболее примечательной особенностью BionicBee является способность к полностью автономному групповому полету. Восемь ультраширокополосных (UWB) передатчиков, установленных в помещении, передают сигналы отдельным пчелам, которые самостоятельно рассчитывают свое положение и следуют траекториям, заданным центральным компьютером. Поскольку каждая пчела изготавливается вручную, а производственные вариации влияют на полет, каждый экземпляр проходит краткий калибровочный полет для определения оптимальных параметров управления. Алгоритм компенсирует индивидуальные различия, позволяя системе рассматривать рой как однородный.
Для проектирования рамы впервые был использован генеративный дизайн: программное обеспечение, исходя из заданных параметров, находит оптимальную структуру, минимизируя материал и максимизируя прочность. Результатом стала 3D-печатная архитектура с внутренними опорными элементами, фрезерованными из углеродного волокна.
Второй проект 2024 года, BionicHydrogenBattery, знаменует собой более глубокое концептуальное изменение. Festo не просто имитирует природу, а работает непосредственно с ней. В основе системы лежит бактерия Thermoanaerobacter kivui (T. kivui), анаэробный микроорганизм, обитающий в глубинах озера Киву в Центральной Африке. Эта бактерия обладает ферментом, способным преобразовывать водород и углекислый газ в муравьиную кислоту и наоборот.
Эта реакция решает одну из наиболее актуальных проблем водорода как энергетического носителя: хранение и транспортировка. Современные методы — сжатие под высоким давлением, сжижение при криогенных температурах, химическая конверсия — являются энергозатратными и логистически сложными. С T. kivui конверсия происходит при температуре около 65 °C и давлении всего 1,5 бара, производя муравьиную кислоту, которую можно транспортировать относительно просто. При повторном использовании те же бактерии разлагают муравьиную кислоту на составляющие, высвобождая водород, готовый к использованию в топливных элементах.
Индустриальная система Festo включает 117 собственных компонентов — клапаны, системы автоматизации, шаговые двигатели, датчики — для управления биореакторами, потоком биомассы и дозированием жидкостей. То, что было возможно только в лаборатории, теперь становится контролируемым процессом в промышленной среде, масштабируемым по мере необходимости.
«Объединяя бактерии с технологиями, мы можем использовать их возможности. Это означает, что мы больше не просто учимся у природы, а работаем вместе с ней», — заявил Себастьян Шрофф из команды Bionic Projects Festo.
Именно это направление Bionic Learning Network определяет термином «биологизация»: природа перестает быть просто моделью для копирования в инженерных материалах и становится активным партнером в производственных процессах и хранении энергии. Это изменение парадигмы, если оно будет масштабируемым, может иметь далеко идущие последствия, выходящие за рамки прикладных исследований.
Биомиметический метод и вызов гуманоидных роботов
Текущие дебаты о гуманоидных роботах возвращают в центр внимания те самые проблемы, над которыми Bionic Learning Network работает последние двадцать лет. Стабильная локомоция по неровным поверхностям, адаптивный захват объектов различной формы и консистенции, управление динамическим равновесием, энергетическая эффективность повторяющихся движений — это те же вызовы, с которыми Festo сталкивалась (и частично решила), изучая кенгуру, осьминогов, муравьев и пчел.
Дело не в том, что гуманоиды должны выглядеть как животные. Дело в том, что биологические системы уже нашли ответы на эти вопросы, и игнорирование этих решений заставляет проектировщиков заново изобретать решения, которые эволюция уже оптимизировала. BionicKangaroo в 2014 году продемонстрировал, что рекуперация энергии при локомоции может значительно снизить потребление — это тот же принцип, который команды, работающие над гуманоидами, сегодня стремятся реализовать в шарнирных ногах своих прототипов. BionicANTs показали, как распределенные системы без централизованного управления могут координировать сложное поведение — архитектура управления, которая оказывается полезной при работе с десятками степеней свободы робота, которому необходимо перемещаться в неструктурированной среде.
Не случайно некоторые из методов, применяемых сегодня в гуманоидной робототехнике — от управления геометрией полета, используемого в BionicBee, до генеративного дизайна легких конструкций — происходят из тех же исследовательских сред, которые питали программу Festo. Биомиметический подход, долгое время остававшийся в нише академических и прикладных исследований, становится общепринятым методологическим ориентиром, поскольку чисто инженерные альтернативы оказались недостаточными перед лицом сложности систем, которые ставит перед собой передовая робототехника.