Загадка падающей кошки и фундаментальная физика

Другие существа выработали в процессе эволюции еще более необычные методы управления тангажем, и эти методы также начинают использоваться в робототехнике. Обнаружено, что пауки-скакуны семейства Salticidae, прежде чем прыгнуть в воздух, прикрепляют к своему насесту каркасную шелковую нить; контролируя натяжение этой нити по мере ее удлинения, они могут управлять наклоном тела, чтобы приземлиться всеми ногами. В 2015 г. исследователи из Университета Кейптауна продемонстрировали, что робот тоже мог бы использовать эту стратегию^{29}. Их робот «Лип» («Линейно-оснащенная автономная платформа» — Line-Equipped Autonomous Platform, LEAP) для максимальной легкости был построен на шасси из кирпичиков LEGO Technic; получившийся в конечном итоге аппарат весил 88 г. Этот робот самостоятельно определял, когда нужно активировать контроль нити, при помощи собственного варианта вестибулярной системы — акселерометра. Находясь на стартовой платформе, робот испытывал на себе действие нормальной силы тяжести; после прыжка исчезновение силы тяжести служило для него сигналом к началу управления нитью, — примерно так же, как рефлекс переворачивания у кошки активируется ощущением невесомости.

Чем дальше исследователи изучают движение животных, тем больше они обнаруживают различных методов самостоятельного переворачивания в воздухе. В статье, заголовок которой может, пожалуй, претендовать на второе место — «Воздушные маневры прыгающих лемуров» (Aerial Maneuvers of Leping Lemurs), — Дональд Данбар из Университета Пуэрто-Рико исследовал необычные способы смены ориентации в воздухе у кольцехвостых лемуров^{30}. Лемур часто прыгает, находясь высоко на дереве лицом к стволу; при этом он способен перепрыгнуть на другое дерево и оказаться на нем тоже лицом к стволу. В этом случае лемур использует две стратегии: он начинает поворот, когда еще держится за дерево — «Модификация момента импульса до отрыва от земли», и подправляет при помощи хвоста свое вращение перед приземлением — «Изменение ориентации тела посредством движения конечности».

Даже крылатые существа пользуются необычными техниками самоориентации. В 2015 г. исследователи из Университета Брауна продемонстрировали, что очковые листоносы и более мелкие коротконосые крыланы при выполнении замечательно быстрых воздушных маневров управляют инерцией своих крыльев^{31}. Эту стратегию можно рассматривать как аналогичную модели «подожмись и поворачивайся» у кошек, только роль двух половинок тела кошки здесь играют крылья. Если поджать одно крыло, то второе будет разворачивать тело мыши гораздо сильнее. Исследователи предполагают, что знание этой техники поможет расширить возможности и улучшить маневренность летающих роботов.

Но строились ли где-нибудь реальные физические модели роботизированных кошек? Еще в 1992 г. японские исследователи изучали модель переворачивания кошки типа «сложись и крутись» методами робототехники; возможно, именно их робот был первым реальным роботом, основанным на принципе падающей кошки. Оригинальная статья вышла на японском языке; в 2014 г. один из авторов, Такаси Кавамура из Университета Синсю, опубликовал краткое описание работы на английском языке^{32}. Эта модель кошки немного напоминала механическую кошку Галли из двух цилиндров, соединенных гибкой перемычкой, но в ней использовалась активная схема управления. «Мышцы» представляли собой исполнительные устройства на пневматической тяге, что позволяло активно контролировать робота в свободном падении. Однако целью японцев было не создание универсального самопереворачивающегося робота, а всего лишь проверка гипотезы «сложись и крутись».

Большая часть работы по роботизированным кошкам относится к самому последнему времени и находится пока на начальных этапах — в основном, кажется, из-за трудностей с разработкой надежной управляющей системы. В 2013 г. исследователи из Аделаидского университета провели моделирование робота, имитирующего падающую кошку^{33}. Столкнувшись с разнообразием предлагаемых стратегий переворачивания в воздухе, ученые австралийской группы решили сосредоточиться на разработке робота, способного воплотить оригинальную модель Марея «подожмись и поворачивайся». Их моделирование, которое вы можете здесь видеть, предсказывает переворот кошки немногим больше чем за полсекунды. Исследователи планируют построить работающий прототип.