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

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

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

I aktion, coils nematode-inspirerede robot op meget ligesom en person, der squatter, og derefter eksplosivt udstrækker sig for at springe. En højhastigheds-kamera viser, hvordan ormen kurver sit hoved op og knæer i midten af sin krop for at hoppe bagud, og derefter strækker og knæer ved halen for at springe fremad. 

Georgia Tech-holdet fandt ud af, at disse stramme knæ – normalt et problem i slanger eller kabler – faktisk lod ormen og robotten lagre langt mere energi. Som en forsker bemærkede, er knækkede strå eller slanger værdiløse, men en knækket orm fungerer som en opladet fjeder. I laboratoriet gentog den bløde robot denne trick: den “kniber” sin midte eller hale, spænder op og frigør derefter i et udbrud (omkring en tiendedel af en millisekund) for at stige op i luften.

Bløde Robotter på Fremmarch

Blød robotteknologi er et ungt, men hurtigt voksende felt, der ofte tager hints 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 orm-lignende kravlere og gelé-lignende 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 lys-følsom “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 U.S. National Science Foundation bemærker, at adaptive bløde maskiner “udforsker rum, der tidligere var utilgængelige for traditionelle robotter” – selv inden for det menneskelige legeme. 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 designerne afhænge af materialegenskaber og clever geometri. For eksempel måtte Georgia Techs hopper inkludere en carbon-fiber-ryggrad inde i sin gummi-krop for at gøre spring-aktionen kraftig nok. Integration af sensorer og kontrolsystemer er også svært. Som Penn State-ingeniører påpeger, er traditionelle elektronik stive og ville fryse en blød robot på stedet.

For at gøre deres små kravlende rednings-robot “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 en tung batteri ville vægte dem ned.

De nematode-inspirerede bløde robotter fra Georgia Tech (Foto: Candler Hobbs)

En anden forhindring er at udnytte den rette fysik. Nematode-robot-holdet lærte, at knæ faktisk hjælper. I en normal gummi-rør, stopper et knæ straks flow; men i en blød orm bygger det langsomt op internt tryk, hvilket tillader langt mere bøjning, før frigørelse. 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 et hurtigt hop. Resultatet er bemærkelsesværdigt: fra hvile kan robotten springe 3 meter højt, gentaget, ved blot at bøje sin ryggrad. Disse gennembrud – at finde måder at lagre og frigøre energi i gummi-materialer – er typisk for blød robotteknologi.

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 katastrofe-zoner kan bløde robotter for eksempel kravle under ruiner eller ind i kollapsede bygninger for at finde overlevende. Penn State viste en prototype magnetisk styret blød kravler, der kunne navigere gennem snævre debris eller endda bevæge sig gennem blod-kar-kanaler.

I medicin kan mikroskopiske bløde robotter levere medicin direkte i kroppen. I en MIT-studie var en tråd-tynd blød robot til at svømme gennem arterier og fjerne blodpropper, potentiel behandling af slag uden åben operation. Harvard-forskere arbejder på bløde bærbare exoskeletter – en let, oppustelig sleeve, der hjalp ALS-patienter med at løfte en skulder, og straks forbedrede deres bevægelighed.

Rum-agenturer ser også på bløde hoppere. Hjul kan blive fast i sand eller sten, men en hoppende robot kunne springe over kratere og klipper. 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 robots en-meter-hop på Jorden kunne bære det hundred meter på Enceladus. Idéen 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 eftersøgnings- og redningsmissioner ved at springe over floder, mudder eller ustabil jord, der ville stoppe konventionelle robotter.

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

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