Červi, pružiny a měkké roboty: Tiny creatures inspirují巨ské skoky

Výzkumníci z Georgia Tech nedávno představili působivý úspěch: 13cm dlouhý měkký robot, který se může katapultovat do vzduchu až 3 metry vysoký – výška basketbalového koše – bez nohou. Design byl inspirován skromným hlístem, tiny roundworm tenčí než lidské vlasy, který může skočit mnohokrát svou délku.

Stisknutím svého těla do těsných záhybů, hlíst uloží elastickou energii a pak náhle ji uvolní, vrhne se do vzduchu nebo dozadu jako akrobatický gymnasta. Inženýři napodobili toto pohybu. Jejich „SoftJM“ robot je vlastně flexibilní silikonová tyč se stiff uhlíkovou vláknitou páteř. V závislosti na tom, jak se ohýbá, může skočit dopředu nebo dozadu – i když nemá kola nebo nohy.

Při akci se nematod-inspirovaný robot svine podobně jako člověk, který dřepne, a pak explozivně narovná, aby skočil. Vysokorychlostní kamera ukazuje, jak se hlíst ohýbá hlavou nahoru a záhyby uprostřed těla, aby skočil dozadu, a pak se narovná a ohýbá ocasem, aby skočil dopředu.

Tým z Georgia Tech zjistil, že tyto těsné záhyby – normálně problém v hadicích nebo kabelech – vlastně umožňují hlístovi a robotovi uložit mnohem více energie. Jak jeden výzkumník poznamenal, zaviňované slámy nebo hadice jsou k ničemu, ale zaviňovaný hlíst se chová jako natažený pružina. V laboratoři měkký robot reprodukoval tento trik: „stiskl“ své střed nebo ocas, napjal se a pak uvolnil v ráži (asi jedna desetina milisekundy) a vzlétl do vzduchu.

Měkké roboty na vzestupu

Měkká robotika je mladé, ale rychle se rozvíjející odvětví, které často přebírá nápady z přírody. Na rozdíl od rigidních kovových strojů jsou měkké roboty vyrobeny z flexibilních materiálů, které mohou být stlačeny, protaženy a přizpůsobeny svému okolí. Rané milníky v tomto oboru zahrnují Harvardův Octobot – autonomní robot vyrobený entirely z silikonu a fluidních kanálů, bez rigidních částí, inspirovaný svaly chobotnice. Od té doby inženýři postavili řadu měkkých strojů: od červů podobných plazů a želatinových griperů po nositelné „exo-obleky“ a válcovité roboty podobné révě.

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

Celkově řečeno, příznivci říkají, že měkké roboty mohou jít na místa, 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 programovatelnou „kůži“, která mění tuhost nebo barvu, aby se slila nebo zachytila objekty. Inženýři také zkoumají origami/kirigami techniky, shape-memory polymery a další triky, aby tyto roboty mohly rekonfigurovat na letu.

Inženýrství flexibilního pohybu

Vytvoření měkkého robota, který se pohybuje jako zvíře, přichází s velkými výzvami. Bez tvrdých kloubů nebo motorů musí designéři spoléhat na materiálové vlastnosti a chytrou geometrii. Například Georgia Techův skokan musel mít uhlíkovou páteř uvnitř svého gumového těla, aby byla pružina dostatečně silná. Integrace senzorů a řídicích systémů je také obtížná. Jak inženýři z Penn State poznamenali, tradiční elektronika je tuhá a zmrazí měkkého robota na místě.

Aby jejich malý plazivý robot „smart“, museli rozprostřít flexibilní obvody pečlivě přes tělo, aby se mohlo stále ohýbat. I nalezení zdrojů energie je obtížnější: některé měkké roboty používají externí magnetická pole nebo stlačený vzduch, protože přenášení těžké baterie by je zatížilo.

Měkký robot inspirovaný hlístem 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 výzkumníci ukázali, že jejich flexibilní tělo mohlo držet mnoho elastické energie, když se ohýbalo, a pak ji uvolnit v jednom rychlém skoku. Výsledek je pozoruhodný: z klidu se robot může skočit 3 metry vysoko, opakovaně, pouze ohnutím své páteře. Tyto průlomy – nalezení způsobů, jak ukládat a uvolňovat energii v gumových materiálech – jsou typické pro inženýrství měkké robotiky.

Reálné 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, například, měkké roboty mohou proplížit se pod sutí nebo do zřícených budov, aby našly 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 plavat skrz tepny a čistit krevní sraženiny, potenciálně léčit mrtvice 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 sledují měkké skokany. Kola se mohou zaseknout v písku nebo na skalách, ale skokový robot by mohl přeskočit krátery a duny. NASA dokonce představila novou skokovou robota pro Měsíc a ledové měsíce. V jednom konceptu by fotbalový míč velký robot nazvaný SPARROW by používal parní trysky (z vařené ledové vody), aby skočil mnoho mil přes Evropu nebo Enceladus. V nízké gravitaci těchto měsíců by malý skok mohl ujít velmi dlouhou cestu – vědci poznamenali, že skok robota o jeden metr na Zemi by mohl ujít 100 metrů na Enceladu. Nápad je, že desítky těchto skokanů by mohly procházet po cizí krajině „s úplnou svobodou cestovat“, kde by kola kola měly potíže. Zpět na Zemi by budoucí měkké skokany mohli pomoci při misích hledání a záchrany, 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 být bezpečnými pomocníky na továrních podlahách nebo na farmách, protože se podřizují, pokud je člověk na cestě. Vědci dokonce postavili měkké gripery, které jemně sbírají jemné ovoce bez poškození. Flexibilita měkkých strojů znamená, že mohou jednat na místech, která jsou příliš malá nebo flexibilní pro rigidní zařízení.

Nakonec odborníci věří, že měkká robotika bude fundamentálně měnit mnoho oborů. Od červů po nositelné obleky po lunární skokany, tato výzkumná nit ukazuje, jak studium malých tvorů může vést k velkým skokům v technologii.