Бионические принципы в робототехнике

Модуль: “Бионическая робототехника”

Природа как источник вдохновения

Boston Dynamics Spot

Что общего у этих роботов?

Festo Bird Robot

Какие преимущества дает копирование природных решений?

Что такое бионика?

Бионика — наука о применении в технических устройствах и системах принципов организации, свойств, функций и структур живой природы

От природы к технологии

История бионики

  • XV век: Леонардо да Винчи — изучение полета птиц
  • 1960: Официальное признание бионики как науки
  • 1990-е: Первые применения (прыгающие роботы, застежки-липучки)
  • 2000-н.в.: Революция в робототехнике (Boston Dynamics, Festo, MIT)

Чертежи да Винчи

Основные направления бионики

  1. Конструктивные решения
  2. Способы передвижения
  3. Манипуляторы
  4. Сенсорные системы
  5. Алгоритмы поведения

Конструктивные решения

Способы передвижения

Биологический прототип Робототехническое решение
Гепард Робот-гепард
- Гибкий позвоночник
- Эффективная передача энергии
- Сегментированный корпус
- Динамическая стабилизация

Бионические типы движения

Ходьба и бег

Ходьба животных Ходьба робота

Прыжки

Прыжки животных Прыжки робота

Полет и плавание

Полет птиц Плавание рыб

Бионические манипуляторы

Биологический прототип Робототехническое решение
Рука человека Роботизированная рука
- Множество степеней свободы
- Тактильная обратная связь
- 5+ степеней свободы
- Сенсоры давления и касания

Преимущества бионических манипуляторов

  • Адаптивность к форме объектов
  • Мягкий захват хрупких предметов
  • Распределенное усилие при захвате
  • Биологически достоверные движения

Сенсорные системы

Биологический прототип Робототехническое решение
Глаз человека Компьютерное зрение
Ухо летучей мыши Ультразвуковой датчик

Алгоритмы поведения

Роевой интеллект

  • Распределенное управление
  • Простые правила взаимодействия
  • Эмерджентное поведение

Колония муравьев Рой роботов

Нейронные сети

Нейроны мозга Искусственная нейросеть

  • Обучение с подкреплением
  • Распознавание образов
  • Адаптация к среде

Современные бионические роботы

Boston Dynamics Spot

  • Гидравлический привод
  • Динамическое равновесие
  • Автономная навигация

Boston Dynamics Spot

Festo BionicOpter

  • Легкие материалы
  • Биомиметические крылья
  • Аэродинамика стрекозы

Festo BionicOpter

Soft Robotics Gripper

  • Мягкие материалы
  • Адаптивный захват
  • Пневматический привод

Soft Robotics Gripper

Snake Robot

  • Модульная конструкция
  • Волнообразное движение
  • Поиск и спасение

Carnegie Mellon Snake Robot