Трудно переоценить значение изобретения колеса для нашей цивилизации. К тому же его можно считать «честным» достижением человеческой конструкторской мысли – нет пока среди живых организмов каких-нибудь существ, которые использовали бы что-то колесообразное для своего перемещения и у которых эту идею можно было бы подсмотреть. Эволюция на нашей планете отдавала явное предпочтение лапам, крыльям и плавникам (змеи и им подобные, простите, вам не досталось ничего из этого). Но, как биологическая, так и техническая эволюции никогда не останавливались, поэтому колёса точно также не сидели без дела и постепенно становились быстрее, легче, прочнее и специализированее. Вершиной технического совершенства на сегодня стала пневматическая шина, изобретённая ещё в XVIII веке. Двум изобретателям – Роберту Томсону и Джону Данлопу в разное время пришла в голову идея закрепить на жёстком ободе накачанную воздухом упругую оболочку, которая одновременно обеспечивала бы и надёжный контакт колеса с дорожным полотном и амортизировала небольшие неровности.
Сейчас типов колёс и шин стало великое множество под самые разные задачи: от узкоспециализированных до универсальных. Правда, идеального колеса пока не изобрели: колесо для быстрой езды по асфальту «сдувается», когда съезжает в грязь на бездорожье, а вездеходная резина хороша для езды по болотам, но на асфальте гудит, шумит и изнашивается быстрее, чем едет. А что-то среднее по параметрам одинаково плохо ведёт себя и там и там. Но это не значит, что человечество оставило попытки изобрести то самое универсальное колесо. На этот раз обнадёживающие новости пришли из Южной Кореи, где группа учёных из нескольких научных центров представило в недавнем выпуске Science Robotics своё видение того, каким такое колесо могло бы быть.
Одна из главных проблем универсального колеса заключается в том, что для быстрого передвижения по ровным поверхностям оно должно быть достаточно жёстким, тогда как для преодоления препятствий или езде по плохой дороге колесо должно быть мягким и легко деформируемым. В пневматических шинах эта проблема частично решается изменением давления в покрышке, но используется в основном только на внедорожной технике, которая и так узкоспециализирована. Но, кажется, из этого тупика есть любопытный выход.
Исследователи вдохновились физикой капли, которая с одной стороны всё время стремиться к поддержанию сферической формы, а с другой – способна деформироваться при контакте с препятствиями. Форму капле задаёт сила поверхностного натяжения, стремящаяся сократить площадь поверхности капли. В случае с жидкостями эта сила зависит от свойств самой жидкости и различных поверхностно активных веществ, но можно ли сделать подобную модель из твёрдых элементов, да ещё и сделать её способной «на лету» менять свои свойства?
Для этого инженеры взяли упругие кевларовые нити-спицы, а затем соединили с их помощью центр колеса и его внешнюю часть в виде «умного» гусеничного полотна. Концы спиц закреплены на двух подвижных муфтах-хабах, которые могут приближаться или отдаляться друг от друга, тем самым притягивая к центру и сжимая или наоборот отпуская гибкое гусеничное полотно, выполняющее роль покрышки. Когда спицы натянуты, колесо приобретает достаточную жёсткость и круглую форму, но по мере ослабления натяжения спиц, колесо становится мягче и при наезде на препятствие начинает вести себя как гусеница, «обтекая» неровность. Во многом это достигается за счёт подвижных элементов «гусеницы», способных не только менять угол между звеньями (как в обычном гусеничном полотне), но и менять расстояние друг относительно друга, т.е. длина окружности колеса становится не постоянной.
После создания прототипа такого колеса-гусеницы исследователи сконструировали двухколёсное кресло общим весом 120 килограмм, способное не только уверенно переезжать палки и небольшие камни, но даже карабкаться по ступенькам. Конечно, конструкция такого колеса заметно сложнее привычного диска с покрышкой. Да и к надёжности «умной» гусеничной шины есть ряд вопросов – по крайней мере, как быстро она будет забиваться мелкими камнями и грязью? Есть вопрос и относительно шумности этой конструкции на больших скоростях. Хотя для городской среды, изобилующей бордюрами и ступеньками, универсальность такого колеса для тихоходных роботов или колясок с лихвой может перекрыть все его недостатки. А может быть его возьмут себе на вооружение многочисленные доставщики?
