Стабильность благодаря движению
Велосипедисты, ходулисты и роликовые конькобежцы знают это - пока они двигаются, все хорошо, но горе им, если они будут стоять на месте, то они упадут. Само по себе движение кажется стабилизирующим элементом. Исследователи, изучавшие математические модели для описания своей «шагающей машины», подтвердили это. Первые попытки езды на велосипеде обычно кажутся довольно шаткими. Без поддерживающих вспомогательных колес вы можете вообще не чувствовать себя в безопасности и крутить педали довольно нерешительно. Велосипед тогда тоже не едет, перекатывается и кренится на несколько метров, прежде чем опасно наклоняется в одну сторону. Любой, кто впервые сядет на велосипед, должен иметь подобный опыт. Как только вы набрались смелости и смело крутили педали, это внезапно сработало на удивление хорошо. Движение стабилизирует транспортное средство.
Тихоходы, роликовые конькобежцы, пьяницы и роботы или шагающие машины, по задумке Майкла Коулмана из Корнельского университета в Нью-Йорке и его коллег, испытывают нечто подобное. Еще в 1998 году исследователи описали, как они сделали из игрушки простую, чисто механическую шагающую машину, которая удивительно безопасно едет по склону, но, с другой стороны, не может стоять на месте и падает.
Ходячая «игрушка» состоит из двух круглых ножек, каждая из которых прикреплена к жесткой ножке. Ноги, в свою очередь, соединены друг с другом через подвижную ось. Из середины круглой подушечки стопы по обеим сторонам машины выступает стержень, на каждый из которых помещается груз. Все это немного вытягивается, как пара бестелесных ног, каждая из которых балансирует по гантели. Как это товарищ не может стоять прямо, но может ходить?
За последние годы было разработано множество идей - не только для этого бегущего устройства. Иногда небольшое трение в подшипнике оси на концах ножек должно быть причиной, которая придает всему этому дополнительную устойчивость. Тогда предположили, что трение скольжения о ноги шагающей машины дает ей необходимую опору. Наконец, исследователи из Корнельского университета последовали идее, выдвинутой Тэдом МакГиром из Insitu Group еще в 1990 году.
В то время исследователь также экспериментировал с шагающими роботами, которые передвигались на двух ногах, как люди, и подозревал, что его существа будут стабилизироваться при движении. Однако роботы МакГира тоже могли стоять, не двигаясь, только вывихнув ноги. Следовательно, нельзя было заключить, что только движение удерживает объект в равновесии.
Однако робот Коулмана и его коллег устроен иначе. Из-за округлых ног он не может стоять на месте; он неизбежно падает. Так должно ли только движение нести ответственность за его стабильность? Исследователи проверили это предположение, смоделировав поведение бегуна с помощью простой математической модели твердого тела, полностью пренебрегая трением. И, как оказалось, уравнения позволили найти решение, описывающее достаточно устойчивое хождение - как раз то, что демонстрирует машина.
Это понимание также проливает новый свет на то, как ходят живые существа. Потому что, по-видимому, не все сенсорные и моторные навыки необходимы, чтобы передвигаться на ногах и сохранять равновесие. Это может помочь разработчикам роботов найти более простые механизмы передвижения. Это было бы особенно важно для космических путешествий, потому что здесь максимально легкие машины должны ориентироваться в незнакомой местности и иногда должны быть в состоянии перелезть через скалу.