Wurms, Vere en Sagte Robotte: Klein Wesens Inspireer Reuse Spronge

Navorsers by Georgia Tech het onlangs 'n indrukwekkende prestasie onthul'n 5 cm lange sagte robot wat homself 10 meter die lug in kan katapulteer – die hoogte van 'n basketbalhoepel – sonder enige bene. Die ontwerp is geïnspireer deur die nederige nematode, 'n klein rondewurm dunner as 'n menslike haar wat baie keer sy liggaamslengte kan spring. 

Deur sy liggaam in stywe kinkels te knyp, stoor die wurm elastiese energie en laat dit dan skielik vry, terwyl dit homself hemelwaarts of agtertoe slinger soos 'n akrobatiese gimnas. Die ingenieurs het hierdie beweging nageboots. Hul "SoftJM"-robot is in wese 'n buigsame silikoonstaaf met 'n stywe koolstofvesel-ruggraat. Afhangende van hoe dit buig, kan dit vorentoe of agtertoe spring – al het dit geen wiele of bene nie.

In aksie rol die nematode-geïnspireerde robot op soos 'n persoon wat hurk, en buig dan plofbaar om te spring. 'n Hoëspoedkamera wys hoe die wurm sy kop opwaarts buig en in die middel van sy lyf knik om agteruit te spring, dan reguit word en by die stert knik om vorentoe te spring. 

Die Georgia Tech-span het bevind dat hierdie skerp draaie – gewoonlik 'n probleem in slange of kabels – eintlik die wurm en die robot baie meer energie laat stoor. Soos een navorser opgemerk het, is geknikte strooitjies of slange nutteloos, maar 'n geknikte wurm tree op soos 'n gelaaide veer. In die laboratorium het die sagte robot afgebeelde hierdie truuk: dit “knyp” sy middel of stert, span op en laat dit dan in 'n uitbarsting (ongeveer een tiende van 'n millisekonde) los om die lug in te sweef.

Sagte robotte op die opkoms

Sagte robotika is 'n jong maar vinnig groeiende veld wat dikwels leidrade uit die natuur kry. Anders as rigiede metaalmasjiene, word sagte robotte gemaak van buigsame materiale wat kan saamdruk, rek en aanpas by hul omgewing. Vroeë mylpale in die veld sluit in Harvard se Octobot – ’n outonome robot wat geheel en al van silikoon en vloeistofkanale gemaak is, sonder stewige dele, geïnspireer deur seekatspiere. Sedertdien het ingenieurs ’n menagerie van sagte masjiene gebou: van wurmagtige kruipers en gejellieerde grypers tot draagbare “ekso-pakke” en rollende wingerdagtige robotte. 

Byvoorbeeld, Yale-navorsers het 'n skilpad-geïnspireerde sagte robot geskep waarvan die bene wissel tussen slap vinne en ferm "landpote" afhangende van of dit swem of loop. By UCSB het wetenskaplikes 'n wingerdagtige robot gemaak wat na lig toe groei deur slegs ligsensitiewe "vel" te gebruik – dit strek letterlik deur nou ruimtes soos 'n plantstingel. Hierdie en ander bio-geïnspireerde innovasies wys hoe sagte materiale nuwe bewegingsmodi kan skep.

Oor die algemeen sê ondersteuners sagte robotte kan gaan na plekke waar tradisionele robotte nie kan nie. Amerikaanse Nasionale Wetenskapstigting se notas dat aanpasbare sagte masjiene “ruimtes verken wat voorheen onbereikbaar was deur tradisionele robotte” – selfs binne die menslike liggaam. Sommige sagte robotte het programmeerbare “velle” wat styfheid of kleur verander om in te meng of voorwerpe vas te gryp. Ingenieurs ondersoek ook origami/kirigami-tegnieke, vormgeheue-polimere en ander truuks sodat hierdie robotte onmiddellik kan herkonfigureer.

Ingenieurswese Buigsame Beweging

Om 'n sagte robot soos 'n dier te laat beweeg, kom met groot uitdagings. Sonder harde gewrigte of motors moet ontwerpers staatmaak op materiaaleienskappe en slim geometrie. Georgia Tech se trui moes byvoorbeeld 'n koolstofvesel-ruggraat binne sy rubberagtige liggaam insluit om die veeraksie kragtig genoeg te maak. Om sensors en beheerstelsels te integreer, is ook moeilik. Soos Penn State-ingenieurs wys daarop, tradisionele elektronika is styf en sou 'n sagte robot in plek vries.

Om hul klein kruipende reddingsrobot "slim" te maak, moes hulle buigsame stroombane versigtig oor die liggaam versprei sodat dit steeds kon buig. Selfs die vind van energiebronne is moeiliker: sommige sagte robotte gebruik eksterne magnetiese velde of saamgeperste lug omdat die dra van 'n swaar battery hulle sou belas.

Die nematode-geïnspireerde sagte robotte van Georgia Tech (Foto: Candler Hobbs)

Nog 'n struikelblok is om die regte fisika te benut. Die nematode-robotspan het geleer dat kinkels eintlik help. In 'n normale rubberbuis stop 'n kinkel vinnig die vloei; maar in 'n sagte wurm bou dit stadig interne druk op, wat baie meer buiging toelaat voor vrystelling. Deur te eksperimenteer met simulasies en selfs watergevulde ballonmodelle, het die navorsers getoon dat hul buigsame liggaam baie elastiese energie kan hou wanneer dit gebuig word, en dit dan in een vinnige sprong kan loslaat. Die resultaat is merkwaardig: vanuit rus kan die robot 10 voet hoog spring, herhaaldelik, deur bloot sy ruggraat te buig. Hierdie deurbrake – om maniere te vind om stoor en vrystel energie in rubberagtige materiale – is tipies van sagte robotika-ingenieurswese.

Werklike Hoppers en Helpers

Waarvoor is al hierdie sagte robotte goed? In beginsel kan hulle situasies aanpak wat te gevaarlik of ongemaklik is vir rigiede masjiene. In rampgebiede kan sagte robotte byvoorbeeld onder puin of in ineengestorte geboue wurm om oorlewendes te vind. Penn State het 'n prototipe magneties beheerde sagte kruiper getoon wat deur digte puin kan navigeer of selfs deur bloedvatgrootte kanale kan beweeg.

In medisyne kan mikroskopiese sagte robotte medisyne direk in die liggaam aflewer. In een MIT-studie is 'n draaddun sagte robot in die vooruitsig gestel om deur arteries te dryf en bloedklonte skoon te maak, wat moontlik beroertes sonder oop chirurgie kan behandel. Harvard-wetenskaplikes werk ook aan sagte draagbare eksoskelette – 'n liggewig opblaasbare mou wat ALS-pasiënte gehelp het om 'n skouer op te lig en hul bewegingsomvang onmiddellik te verbeter.

Ruimteagentskappe beoog ook sagte springers. Wiele kan op sand of rotse vassteek, maar 'n springende robot kan oor kraters en duine spring. NASA verbeel selfs nuwe springers vir die Maan en ysige mane. In een konsep, 'n sokkerbalgrootte robot genaamd MUSIE sou stoomstrale (van gekookte ys) gebruik om baie kilometers oor Europa of Enceladus te spring. In die lae swaartekrag van daardie mane gaan 'n klein sprong 'n baie lang pad – wetenskaplikes merk op dat 'n robot se een meter sprong op Aarde dit 'n honderd meter op Enceladus kan dra. Die idee is dat dosyne van hierdie springers oor vreemde terrein kan swerm "met volledige vryheid om te reis" waar wielrovers sou stilstaan. Terug op Aarde kan toekomstige sagte springers help met soek-en-reddingsmissies deur oor riviere, modder of onstabiele grond te spring wat konvensionele robotte sou stop.

Sagte robotte vind ook werk in die nywerheid en landbou. NSF wys daarop dat hulle veilige helpers op fabrieksvloere of op plase kan word, want hulle gehoorsaam as 'n mens in die pad is. Navorsers het selfs sagte grypers gebou wat delikate vrugte saggies pluk sonder om dit te kneus. Die buigsaamheid van sagte masjiene beteken dat hulle kan optree op plekke wat te klein of buigsaam is vir stewige toestelle.

Uiteindelik glo kenners dat sagte robotika baie velde fundamenteel sal verander. Van wurms tot draagbare pakke tot maan-hoppers, hierdie navorsingsdraad wys hoe die bestudering van klein wesens groot spronge in tegnologie kan oplewer.