Подводные мягкие роботы, вдохновлённые природой: от биологии к робототехнике и обратно

Почему важны мягкие подводные роботы

Представьте субмарину, которая скользит как тунец, пролезает в щели как осьминог и «ощущает» воду как косяк рыб. В этом обзорном материале объясняется, как инженеры создают такие мягкие гибкие подводные роботы, заимствуя идеи у морских животных, и как эти роботы, в свою очередь, становятся мощными инструментами для выяснения того, как на самом деле движутся и выживают морские организмы. Работа указывает путь к более безопасным и адаптивным машинам для исследования океана и одновременно даёт биологам новые способы проверять гипотезы об эволюции и поведении животных.

Уроки, почерпнутые у обитателей океана

Авторы начинают с описания разрыва между современными подводными аппаратами и настоящими морскими животными. Традиционные автономные подводные лодки жёсткие, с винтовой тягой и спроектированы для борьбы с течением. Рыбы, медузы и осьминоги вместо этого используют мягкие тела, гибкие плавники и хитрые стратегии управления, которые работают в тандеме с вихрями воды, а не против них. Обзор выделяет четыре широких урока из биологии: плавание, в котором движение тела связано с потоком воды; формы тела и внутренние структуры, распределяющие силы и накапливающие энергию; сенсоры, распределённые по коже, плавникам и усикам; и системы управления, опирающиеся на простые ритмические паттерны, уточняемые обратной связью от тела и окружения. В совокупности эти идеи образуют план для создания подводных мягких роботов, которые манёвренны, эффективны и безопасны для хрупких местообитаний.

Превращение биологии в мягкие машины

Далее в статье излагается, как эти биологические идеи воплощаются в реальных роботах. Инженеры строят плавающие устройства, похожие на рыб, с гибкими хвостами, планеры в стиле манты с широкими взмахивающими плавниками, «колокола», вдохновлённые медузами, которые пульсируют, и роботов с конечностями, которые ползают и гребут как морские звёзды или черепахи. Вместо металлических рам многие используют силиконовые резины, гидрогели и умные материалы, которые гнутся, растягиваются или меняют жёсткость. Авторы объясняют, как конструкторы настраивают общую форму тела, внутреннее послойное строение и встроенные сухожилия или волокна, чтобы робот естественно сгибался полезным образом и мог толкать воду или скользить по камням без повреждений. Мягкая «кожа» может скрывать эластичную электронику и крошечные каналы, чувствительные к давлению или потоку, отсылая к боковой линии рыб, усам тюленей и присоскам осьминога.

Роботы, которые ощущают, адаптируются и учатся

Обзор затем переходит к тому, как управляются эти мягкие машины. Поскольку их тела обладают множеством степеней свободы и сильно взаимодействуют с водой, традиционные методы управления жёсткими роботами здесь не работают. Вместо этого исследователи часто начинают с простых ритмических паттернов — напоминая центральные генераторы паттернов в спинных мозгах животных — которые приводят в движение хвосты, плавники или руки. Локальная обратная связь от датчиков давления, деформации или потока подстраивает эти ритмы в реальном времени, позволяя роботам сохранять устойчивость в потоках или при контакте. Некоторые системы «встраивают» интеллект прямо в аппаратные средства: например, присоски и жидкостные клапаны, которые автоматически регулируют захват с изменением давления. Подходы машинного обучения всё чаще используются для поиска эффективных гребков и алгоритов ходьбы, использующих вихри и упругость тела, хотя перенос этих выученных поведений из симуляций в реальный океан остаётся проблематичным.

Роботы как испытательные стенды для биологии

Главная мысль статьи в том, что вдохновение работает в обе стороны. Тщательно спроектированные роботы выступают в роли физических моделей, которые могут проверять биологические гипотезы, трудно или невозможно проверяемые на живых животных. Например, роботы в стиле манты и медузы с регулируемой жёсткостью и паттернами актуатора показали, как пульсирующие движения и упругое восстановление формируют следы, увеличивающие тягу. Присоски, вдохновлённые реморами, с настраиваемыми губами, камерами и микротекстурами показывают, как рыбы цепляются за грубые быстро движущиеся поверхности. Искусственные датчики боковой линии и массивы усов проясняют, как желатиновая капсула (купула) и форма усиков усиливают водные сигналы до того, как они достигают нервов. Даже вымершие виды изучаются таким образом: роботизированные ласты плеозавров и хвосты динозавров помогают оценить, какие древние планировки тела могли реально плавать эффективно.

Общие законы для животных и машин

Наконец, авторы смотрят в будущее, где биология и робототехника связаны общими правилами проектирования. Сравнивая отдалённые виды, которые эволюционировали в похожие решения — например, крылья, ласты, присасывающие органы или спирально изогнутые захватывающие конечности — они выдвигают идею «биоунверсальных» принципов, применимых на разных масштабах и в разных линиях развития. Робототехнические «семейства» могут систематически исследовать эти принципы, варьируя формы, паттерны жёсткости и стратегии управления за пределами того, что пробовала эволюция. Обзор также призывает к созданию цифровых «близнецов», которые представляют животных и роботов в единой виртуальной среде, что позволит совместно проектировать морфологию, материалы и управление. Параллельно ранние биогибридные роботы, включающие живые ткани, намекают на машины, которые в будущем могут разделять некоторую адаптивность и способность к самовосстановлению живых организмов.

К чему это всё сводится

Для неспециалистов главный вывод в том, что следующее поколение подводных роботов будет выглядеть и вести себя гораздо больше как морские существа, чем как мини-подлодки. Мягкие тела, распределённые датчики и простые, но адаптивные контуры управления позволят им ориентироваться в заросших рифах, обращаться с деликатными образцами и плыть по течению, а не бороться с ним. В то же время эти роботы послужат экспериментальными заменителями живых животных, помогая учёным раскрыть физические законы, которые формировали миллионы лет эволюции в океанах. Коротко говоря, замыкая цикл между биологией и инженерией, мягкие подводные роботы обещают как лучшую технологию, так и более глубокое понимание того, как жизнь процветает под водой.

Цитирование: Li, L., Qin, B., Gao, W. et al. Bioinspired underwater soft robots: from biology to robotics and back. npj Robot 4, 25 (2026). https://doi.org/10.1038/s44182-026-00088-x

Ключевые слова: подводная мягкая робототехника, бионический дизайн, водное движение, распределённое сенсорное восприятие, морская биомеханика