Červi, pružiny a měkké roboty: Tiny tvorové inspirují obří skoky

Výzkumníci na Georgia Tech nedávno odhalili působivý úspěch: 13cm dlouhý měkký robot, který se může katapultovat 3 metry do vzduchu – do výšky košařského koše – bez nohou. Design byl inspirován skromným nematodem, malým okrouhlým červem tenčím než lidské vlasy, který může skočit mnohokrát svou délku.

Stisknutím svého těla do těsných záhybů ukládá červ elasticickou energii a poté ji náhle uvolňuje, vrhaje se vzhůru nebo dozadu jako akrobatický gymnasta. Inženýři napodobili tento pohyb. Jejich „SoftJM“ robot je v podstatě flexibilní silikonová tyč se stiffní uhlíkovou vláknitou páteřní částí. V závislosti na tom, jak se ohýbá, může skočit dopředu nebo dozadu – i když nemá kola ani nohy.

Při akci se nematod-inspirovaný robot svine podobně jako osoba, která dřepne, a poté explozivně narovná, aby skočil. Vysokorychlostná kamera ukazuje, jak se červ ohýbá hlavou nahoru a vytváří záhyby uprostřed těla, aby skočil dozadu, a poté se narovná a ohne ocasem, aby skočil dopředu.

Tým z Georgia Tech zjistil, že tyto těsné záhyby – obvykle problém u hadic nebo kabelů – ve skutečnosti umožňují červu a robotu uložit mnohem více energie. Jak poznamenal jeden výzkumník, zatočené slámy nebo hadice jsou k ničemu, ale zatočený červ se chová jako natažená pružina. V laboratoři měkký robot zopakoval tento trik: „stiskl“ své střed nebo ocas, napjal se a poté uvolnil v ráži (asi jednu desetinu milisekundy) a vzlétl do vzduchu.

Měkké roboty na vzestupu

Měkká robotika je mladé, ale rychle rostoucí odvětví, které často bere nápady z přírody. Na rozdíl od rigidních kovových strojů jsou měkké roboty vyrobeny z flexibilních materiálů, které mohou být stlačeny, protaženy a přizpůsobeny svým okolím. Rané milníky v tomto oboru zahrnují Harvardův Octobot – autonomní robot vyrobený zcela ze silikonu a tekutých kanálů, bez žádných rigidních částí, inspirovaný svaly chobotnice. Od té doby inženýři postavili řadu měkkých strojů: od červům podobných plazivých robotů a želatinových griperů po nositelné „exo-obleky“ a válcovité roboty podobné vinné révě.

Například výzkumníci z Yale vytvořili měkkého robota inspirovaného želvou, jehož nohy se přepínají mezi ochablostmi a pevnými „pozemními nohami“ v závislosti na tom, zda plave nebo chodí. Na UCSB vědci vyrobili robot podobný vinné révě, který roste směrem ke světlu pomocí pouze světlocitlivých „kůží“ – doslova se prodlužuje skrz úzké prostory jako rostlinný stonek. Tyto a další bio-inspirované inovace ukazují, jak měkké materiály mohou vytvářet nové způsoby pohybu.

Celkově říkají příznivci, že měkké roboty mohou jít tam, kam tradiční roboty nemohou. U.S. National Science Foundation poznamenává, že adaptivní měkké stroje „prozkoumávají prostory, které byly dříve nedosažitelné pro tradiční roboty“ – dokonce i uvnitř lidského těla. Některé měkké roboty mají programovatelné „kůže“, které mění tuhost nebo barvu, aby splynuly s okolím nebo uchopily objekty. Inženýři také zkoumají origami/kirigami techniky, tvarové paměťové polymery a další triky, aby tyto roboty mohly rekonfigurovat na letu.

Inženýrství flexibilního pohybu

Vytvořit měkkého robota, který se pohybuje jako zvíře, přináší velké výzvy. Bez tvrdých kloubů nebo motorů musí designéři spoléhat na materiálové vlastnosti a chytrou geometrii. Například Georgia Techův skokan musel mít uhlíkovou vláknitou páteřní část uvnitř svého gumového těla, aby byla pružinová akce dostatečně silná. Integrace senzorů a řídicích systémů je také obtížná. Jak inženýři z Penn State uvádějí, tradiční elektronika je tuhá a by zmrazila měkkého robota na místě.

Aby udělali svého malého plazivého robota „chytrým“, museli rozložit flexibilní obvody opatrně po celém těle, aby mohl stále ohýbat. Even najít zdroje energie je obtížnější: některé měkké roboty používají externí magnetická pole nebo stlačený vzduch, protože přenášení těžké baterie by je zatížilo.

Nematod-inspirované měkké roboty z Georgia Tech (Foto: Candler Hobbs)

Další překážkou je využití správné fyziky. Tým nematod-robota se naučil, že záhyby vlastně pomáhají. V normální gumové trubce záhyb rychle zastaví tok; ale v měkkém červu pomalu buduje vnitřní tlak, umožňující mnohem více ohýbání před uvolněním. Experimentováním se simulacemi a dokonce i vodou plněnými balónkovými modely prokázali výzkumníci, že jejich flexibilní tělo může držet mnoho elasticické energie, když je ohnuté, a poté ji uvolnit v jednom rychlém skoku. Výsledek je pozoruhodný: z klidu může robot skočit 3 metry vysoko, opakovaně, prostě ohnutím své páteře. Tyto průlomy – najít způsoby, jak ukládat a uvolňovat energii v gumových materiálech – jsou typickými pro inženýrství měkké robotiky.

Skutečné skoky a pomocníci

K čemu jsou všechny tyto měkké roboty dobré? V zásadě mohou řešit situace, které jsou příliš nebezpečné nebo nevhodné pro rigidní stroje. V zónách katastrof mohou měkké roboty proplížit se pod sutí nebo do zřícených budov, aby našli přeživší. Penn State ukázal prototyp magneticky řízeného měkkého plazivého robota, který mohl navigovat úzké trosky nebo dokonce procházet kanály velikosti krevních cév.

V medicíně by mikroskopické měkké roboty mohly dodávat léky přímo do těla. V jedné studii MIT byl navržen vláknový měkký robot, který by mohl plout arteriemi a odstraňovat krevní sraženiny, potenciálně léčit mozkové příhody bez otevřené chirurgie. Vědci z Harvardu pracují na měkkých nositelných exoskeletech – lehké nafukovací rukávy, které pomáhaly pacientům s ALS zvednout rameno, okamžitě zlepšující jejich rozsah pohybu.

Kosmické agentury také zvažují měkké skokany. Kola se mohou zaseknout v písku nebo na skalách, ale skokový robot by mohl přeskočit krátery a duny. NASA dokonce představuje nové skokany pro Měsíc a ledové měsíce. V jednom konceptu by fotbalový míč veliký robot nazvaný SPARROW by používal parní trysky (z vařené ledové vody), aby skočil mnoho mil přes Evropu nebo Enceladus. V nízké gravitaci těchto měsíců jde malý skok velmi daleko – vědci poznamenávají, že skok robota o jeden metr na Zemi by ho mohl přenést o 100 metrů na Enceladu. Nápad je, že desítky těchto skokanů by mohly prolétnout přes cizí terén „s absolutní svobodou cestovat“, zatímco kola by se zastavila. Zpět na Zemi by budoucí měkké skokani mohli pomoci při záchranných misích, skokem přes řeky, bláto nebo nestabilní půdu, která by zastavila konvenční roboty.

Měkké roboty také nacházejí práci v průmyslu a zemědělství. NSF poznamenává, že by mohly stát se bezpečnými pomocníky na továrních podlahách nebo na farmách, protože se přizpůsobí, pokud je v cestě člověk. Výzkumníci dokonce postavili měkké gripery, které jemně berou jemné ovoce, aniž by je poškozovaly. Flexibilita měkkých strojů znamená, že mohou jednat v místech, která jsou příliš malá nebo flexibilní pro rigidní zařízení.

Nakonec odborníci věří, že měkká robotika bude zásadně měnit mnoho oborů. Od červů po nositelné obleky a lunární skokany, tento výzkumný trend ukazuje, jak studium malých tvorů může vést k velkým skokům v technologii.