Роботы пойдут по следу слонов: природа подсказала, как сделать механические руки нежнее

Слон способен без труда поднять тяжёлое бревно, а затем аккуратно взять хрупкий кукурузный чипс, не повредив его. Новое исследование показало, что такая точность во многом обеспечивается крошечными "усами" на хоботе, которые формируют детальную карту прикосновений. Их необычное строение позволяет животному чувствовать точку контакта даже при толстой коже и слабом зрении. Результаты опубликованы в журнале Science.

Необычная сенсорная система хобота

Работа стала результатом междисциплинарного проекта в Германии под руководством отдела тактильного интеллекта Института интеллектуальных систем имени Макса Планка. Учёные обнаружили, что около тысячи коротких жёстких волосков, покрывающих хобот, обладают уникальными свойствами.

Главная особенность заключается в так называемом "функциональном градиенте": каждый ус жёсткий у основания и постепенно становится мягче к кончику. Такой переход отличается от усов крыс и мышей, которые имеют более равномерную жёсткость.

При этом схожий градиент выявили у домашних кошек, а в целом подобные примеры демонстрируют, как универсальные эволюционные стратегии помогают видам адаптироваться к разным условиям среды.

Подобная структура выполняет сразу несколько задач. Она снижает риск поломки, делает касание более мягким и, главное, позволяет кодировать информацию о месте соприкосновения вдоль всей длины волоска.

От микротомографии до 3D-прототипа

Изначально исследователи предполагали, что слоновьи усы будут напоминать сужающиеся круглые вибриссы грызунов. Однако микрокомпьютерная томография показала более сложную картину: волоски имеют уплощённое, "лезвиеобразное" поперечное сечение, полое основание и продольные каналы внутри.

Такая пористая структура уменьшает вес и повышает прочность — важное качество, поскольку усы на хоботе не отрастают и должны выдерживать постоянную нагрузку. Для измерения жёсткости команда использовала наноиндентирование с алмазным наконечником, фиксируя различия между основанием и кончиком.

Подобные подходы к анализу микроструктур всё чаще применяются и в других областях, включая исследования городской почвы под действием стрессоров, где сочетание факторов влияет на свойства материала.

"Волоски на голове, теле и хвосте азиатских слонов жесткие от основания до кончика, чего мы и ожидали, обнаружив удивительный градиент жесткости усиков слоновьего хобота", — сказал ведущий автор исследования Эндрю К. Шульц.

Чтобы проверить гипотезу о роли градиента, учёные создали увеличенную 3D-печатную модель "уса" с жёстким основанием и мягким кончиком. Тактильные тесты показали, что ощущения действительно меняются в зависимости от точки контакта.

Карта прикосновений и "воплощённый интеллект"

Компьютерное моделирование подтвердило, что сочетание геометрии, пористости и изменяющейся жёсткости облегчает определение места соприкосновения. Это помогает слону точно регулировать силу хвата и избегать чрезмерного давления на хрупкие предметы.

"Это просто потрясающе! Градиент жесткости создает карту, позволяющую слонам определять места контакта вдоль каждого уса", — отметил Шульц.

Исследователи называют такой принцип примером "воплощённого интеллекта", когда часть вычислительной задачи решается самой физической структурой объекта. Вместо сложной обработки сигналов сенсор уже изначально "настроен" на передачу полезной информации.

Полученные данные важны не только для понимания биологии слонов. Они могут вдохновить разработчиков робототехники на создание новых тактильных сенсоров, которые будут сочетать чувствительность и прочность за счёт продуманного физического дизайна. Природа показала, что иногда эффективное решение заложено не в сложных алгоритмах, а в самой структуре материала.