Ormer, Fjedre og Bløde Robotter: Små Kreaturer Inspirerer Store Spring

Forskere ved Georgia Tech har nylig præsenteret en imponerende præstation: en 13 cm lang blød robot, der kan katapultere sig 3 meter op i luften – højden af en basketballkurv – uden nogen ben. Designet er inspireret af den beskedne nematode, en lille rundorm, der er tyndere end et menneskehår og kan hoppe mange gange sin egen kropslængde. 

Ved at knibe sin krop ind i stramme kinker, lagrer ormen elastisk energi og frigør den så pludselig, hvorefter den slynger sig opad eller bagud som en akrobatisk gymnast. Ingeniørerne efterlignede denne bevægelse. Deres “SoftJM”-robot er i virkeligheden en fleksibel silikone-stang med en stiv carbon-fiber-ryggrad. Afhængigt af, hvordan den bøjer, kan den springe fremad eller bagud – selv om den ikke har nogen hjul eller ben.

I aktion krøller nematoden sig sammen ligesom en person, der squatter, og så eksplosivt udstrækker sig for at hoppe. En højhastigheds-kamera viser, hvordan ormen bøjer hovedet op og kniker i midten af kroppen for at hoppe bagud, og derefter strækker og kniker ved halen for at hoppe fremad. 

Georgia Tech-holdet fandt ud af, at disse stramme kinker – normalt et problem i slanger eller kabler – faktisk lod ormen og robotterne lagre langt mere energi. Som en forsker bemærkede, er knikkede strå eller slanger værdiløse, men en kniktet orm fungerer som en opladet fjeder. I laboratoriet gentog den bløde robot tricket: den “knippede” midten eller halen, spændte op og frigjorde så i et udbrud (omkring en tiendedel af en millisekund) for at svæve op i luften.

Bløde Robotter på Fremmarch

Blød robotik er et ung, men hurtigt voksende felt, der ofte tager hint fra naturen. I modsætning til stive metal-maskiner er bløde robotter lavet af fleksible materialer, der kan klamre, strække og tilpasse sig til deres omgivelser. Tidlige milepæle i feltet inkluderer Harvards Octobot – en autonom robot lavet helt af silikone og fluid-kanaler, uden nogen stive dele, inspireret af blæksprutte-muskler. Siden da har ingeniører bygget en menageri af bløde maskiner: fra orme-lignende krybere og gelificerede grippere til bærbare “exo-suits” og rullende vin-lignende robotter. 

For eksempel skabte Yale-forskere en skildpadde-inspireret blød robot, hvis ben skifter mellem floppy flipper og faste “landben” afhængigt af, om den svømmer eller går. Ved UCSB skabte videnskabsmænd en vin-lignende robot, der vokser mod lyset ved hjælp af kun lysfølsom “hud” – den udvider sig bogstaveligt talt gennem smalle rum som en plantestængel. Disse og andre bio-inspirerede innovationer viser, hvordan bløde materialer kan skabe nye former for bevægelse.

Samlet set mener tilhængere, at bløde robotter kan gå steder, hvor traditionelle robotter ikke kan. Den amerikanske National Science Foundation bemærker, at adaptive bløde maskiner “udforsker rum, der tidligere var utilgængelige for traditionelle robotter” – selv inde i den menneskelige krop. Nogle bløde robotter har programmerbare “huder”, der ændrer stivhed eller farve for at blande sig eller gribe objekter. Ingeniører udforsker også origami/kirigami-teknikker, form-hukommelse-polymere og andre tricks, så disse robotter kan omkonfigurere på flyvet.

Ingengører Fleksibel Bevægelse

At lave en blød robot, der bevæger sig som et dyr, kommer med store udfordringer. Uden hårde ledd eller motorer må designere afhænge af materialegenskaber og clever geometri. For eksempel havde Georgia Techs hopper en carbon-fiber-ryggrad inde i sin gummikrop for at gøre fjeder-bevægelsen kraftig nok. Integration af sensorer og kontrolsystemer er også svært. Som Penn State-ingeniører påpeger, er traditionelle elektronik komponenter stive og ville fryse en blød robot på stedet.

For at gøre deres lille krybende redningsrobot “smart”, måtte de sprede fleksible kredsløb omhyggeligt over kroppen, så den stadig kunne bøje. Selv at finde energikilder er sværere: nogle bløde robotter bruger eksterne magnetiske felter eller trykluft, fordi bæring af en tung batteri ville vægte dem ned.

Den nematode-inspirerede bløde robot fra Georgia Tech (Foto: Candler Hobbs)

En anden forhindring er at udnytte den rette fysik. Nematode-robot-holdet lærte, at kinker faktisk hjælper. I en normal gummislange stopper en kink hurtigt flow; men i en blød orm bygger den langsomt op intern tryk, hvilket tillader langt mere bøjning, før den frigøres. Ved at eksperimentere med simulationer og endda vandfyldte ballon-modeller viste forskerne, at deres fleksible krop kunne holde mange elastisk energi, når den var bøjet, og derefter frigøre den i ét hurtigt hop. Resultatet er bemærkelsesværdigt: fra hvile kan robotten hoppe 3 meter højt, gentagne gange, ved blot at bøje sin ryggrad. Disse gennembrud – at finde måder at lagre og frigøre energi i gummimaterialer – er typisk for blød robotik-ingengører.

Virkelige Hoppere og Hjælpere

Hvad er alle disse bløde robotter gode til? I princippet kan de tackle situationer, der er for farlige eller ubehagelige for stive maskiner. I katastrofezoner kan bløde robotter kravle under ruiner eller ind i kollapsede bygninger for at finde overlevende. Penn State viste en prototype af en magnetisk styret blød kryber, der kunne navigere gennem snævre affald eller endda bevæge sig gennem kanaler på størrelse med blodkar.

I medicin kunne mikroskopiske bløde robotter levere medicin direkte i kroppen. I en MIT-studie var en trådtynd blød robot designet til at svæve gennem arterier og fjerne blodpropper, hvilket potentielt kunne behandle slagtilfælde uden åbne operationer. Harvard-forskere arbejder også på bløde bærbare eksoskeletter – en letvægts-inflatable sleeve, der hjalp ALS-patienter med at løfte en skulder, hvilket straks forbedrede deres bevægelighed.

Rumagenturer ser også på bløde hoppere. Hjul kan blive fast i sand eller sten, men en hoppende robot kunne springe over kratere og dune. NASA forestiller sig endda nytænkende hoppere til Månen og is-måner. I et koncept ville en fodbold-størrelse-robot kaldet SPARROW bruge damp-jetter (fra kogt is) til at hoppe mange mil over Europa eller Enceladus. I den lave tyngdekraft på disse måner kan et lille hop gå meget langt – videnskabsmænd bemærker, at en robotters hop på 1 meter på Jorden kunne bære den 100 meter på Enceladus. Ideen er, at dusinvis af disse hoppere kunne sværme over fremmed terræn “med fuld frihed til at rejse” hvor hjulede robotter ville stoppe. Tilbage på Jorden kunne fremtidige bløde hoppere hjælpe med redningsmissioner ved at hoppe over floder, mudder eller ustabil jord, der ville stoppe konventionelle robotter.

Bløde robotter finder også arbejde i industri og landbrug. NSF påpeger, at de kunne blive sikre hjælpere på fabriksgulve eller på landbrug, fordi de efterkommer, hvis et menneske er i vejen. Forskere har endda bygget bløde grippere, der forsigtigt plukker ømtåelige frugt uden at beskadige den. Fleksibiliteten af bløde maskiner betyder, at de kan handle på steder, der er for små eller fleksible for stive enheder.

Til sidst mener eksperter, at blød robotik vil ændre mange felter fundamentalt. Fra orme til bærbare dragter til lunare hoppere viser denne forskningstråd, hvordan studiet af små kreaturer kan give store spring i teknologi.