Σκουλήκια, Ελατήρια και Μαλακά Ρομπότ: Τα Μικρά Πλάσματα Εμπνέουν Γίγαντες Άλματα

Ερευνητές στο Georgia Tech πρόσφατα αποκάλυψαν μια εντυπωσιακή επιτυχία: ένα μαλακό ρομπότ 5 ιντσών που μπορεί να καταπείσει τον εαυτό του 10 πόδια στον αέρα – το ύψος ενός καλαθιού μπάσκετ – χωρίς να έχει πόδια. Η σχεδίαση ήταν εμπνευσμένη από τον ταπεινό νηματώδη, ένα μικρό σκουλήκι λεπτότερο από ένα ανθρώπινο μαλλί που μπορεί να πηδήξει πολλές φορές το μήκος του σώματός του. 

Σφίγγοντας το σώμα του σε στενά κinks, το σκουλήκι αποθηκεύει ελαστική ενέργεια και στη συνέχεια την απελευθερώνει ξαφνικά, ρίχνοντας τον εαυτό του στον αέρα ή προς τα πίσω σαν einen ακροβάτη γυμναστή. Οι μηχανικοί μίμησαν αυτή τη κίνηση. Το ρομπότ “SoftJM” είναι ουσιαστικά ένα ευέλικτο ραβδί από σιλικόνη με一个 σκληρό οστέινο στήριγμα από άνθρακα. Ανавис από το πώς γίνεται, μπορεί να πηδήξει προς τα εμπρός ή προς τα πίσω – ακόμη και αν δεν έχει τροχούς ή πόδια.

Σε δράση, το σκουλήκι-ρομπότ σφίγγει πολύ σαν ένας άνθρωπος που κατεβαίνει, και στη συνέχεια εκρηκτικά ξεδιπλώνονται για να πηδήξουν. Eine υψηλής ταχύτητας κάμερα δείχνει πώς το σκουλήκι καμπυλώνει το κεφάλι του προς τα πάνω και σφίγγει στη μέση του σώματός του για να πηδήξει προς τα πίσω, και στη συνέχεια ευθύνεται και σφίγγει στο πίσω μέρος για να πηδήξει προς τα εμπρός. 

Η ομάδα του Georgia Tech發現 ότι αυτά τα στενά κinks – που συνήθως είναι πρόβλημα σε σωλήνες ή καλώδια – επιτρέπουν στο σκουλήκι και στο ρομπότ να αποθηκεύσουν πολύ περισσότερη ενέργεια. Όπως σημείωσε ένας ερευνητής, σφιγμένα σωλήνες ή καλώδια είναι άχρηστα, αλλά ένα σφιγμένο σκουλήκι λειτουργεί σαν ένα φορτισμένο ελατήριο. Στο εργαστήριο, το μαλακό ρομπότ αναπαράγει αυτή τη τεχνική: “σφίγγει” το μέσο ή το πίσω μέρος, τεντώνει και στη συνέχεια απελευθερώνει σε μια έκρηξη (περίπου ένα δέκατο του χιλιοστού του δευτερολέπτου) για να πηδήξει στον αέρα.

Μαλακά Ρομπότ στην Άνοδο

Η μαλακή ρομποτική είναι ένα νεαρό αλλά γρήγορα εξελισσόμενο πεδίο που συχνά παίρνει σήματα από τη φύση. Σε αντίθεση με τα σκληρά μεταλλικά μηχανήματα, τα μαλακά ρομπότ είναι κατασκευασμένα από ευέλικτα υλικά που μπορούν να σφίγγουν, να τεντώνουν και να προσαρμόζονται στο περιβάλλον τους. Τα πρώτα ορόσημα στο πεδίο περιλαμβάνουν το Octobot του Χάρβαρντ – ένα αυτόνομο ρομπότ κατασκευασμένο εξ ολοκλήρου από σιλικόνη και υγρά κανάλια, χωρίς σκληρά μέρη, εμπνευσμένο από τους μύες των октопουσών. Από τότε, οι μηχανικοί έχουν κατασκευάσει μια ποικιλία από μαλακά μηχανήματα: από σκουλήκι-ερπυστριοφόρα και γελιφιρισμένα grippers μέχρι φορητές “εξο-σuits” και κυλινδρικά ρομπότ που μοιάζουν με αμπέλια. 

Για παράδειγμα, ερευνητές στο Yale δημιούργησαν ένα σκουλήκι-ρομπότ που εμπνέεται από χελώνες, των οποίων τα πόδια αλλάζουν μεταξύ μαλακών πτερύγων και σκληρών “χερσαίων” ποδιών, ανάλογα με το αν κολυμπά ή περπατά. Στο UCSB, οι επιστήμονες κατασκεύασαν ένα ρομπότ που μοιάζει με αμπέλι, το οποίο μεγαλώνει προς το φως χρησιμοποιώντας μόνο φωτοευαίσθητη “δέρμα” – κυριολεκτικά επεκτείνει τον εαυτό του μέσα από στενά διαμερίσματα σαν ένα φυτικό στέλεχος. Αυτά και άλλα βιο-εμπνευσμένα καινοτομίες δείχνουν πώς τα μαλακά υλικά μπορούν να δημιουργήσουν νέους τρόπους κίνησης.

Συνολικά, οι υποστηρικτές λένε ότι τα μαλακά ρομπότ μπορούν να πάνε σε μέρη που τα παραδοσιακά ρομπότ δεν μπορούν. Το Ιδρυμα Εθνικών Επιστημών των ΗΠΑ σημειώνει ότι τα προσαρμόσιμα μαλακά μηχανήματα “ερευνούν χώρους που προηγουμένως ήταν απρόσιτοι από τα παραδοσιακά ρομπότ” – ακόμη και μέσα στο ανθρώπινο σώμα. Κάποια μαλακά ρομπότ έχουν προγραμματιζόμενη “δέρμα” που αλλάζει σκληρότητα ή χρώμα για να μπλεχτεί ή να πιάσει αντικείμενα. Οι μηχανικοί εξετάζουν επίσης τεχνικές origami/kirigami, shape-memory πολυμερή και άλλες τεχνικές ώστε αυτά τα ρομπότ να μπορούν να αναδιαμορφωθούν κατά την πτήση.

Μηχανική Ευέλικτης Κίνησης

Η δημιουργία ενός μαλακού ρομπότ που κινείται σαν ένα ζώο συνοδεύεται από μεγάλες προκλήσεις. Χωρίς σκληρά γόνατα ή κινητήρες, οι σχεδιαστές πρέπει να βασίζονται στις ιδιότητες των υλικών και τη σοφή γεωμετρία. Για παράδειγμα, το ρομπότ-πηδητής του Georgia Tech έπρεπε να περιλαμβάνει ένα στήριγμα από άνθρακα μέσα στο ρηχό του σώμα για να κάνει την κίνηση του ελατηρίου αρκετά ισχυρή. Η ενσωμάτωση αισθητήρων και συστημάτων ελέγχου είναι επίσης δύσκολη. Όπως σημείωσαν οι μηχανικοί του Penn State, τα παραδοσιακά ηλεκτρονικά είναι σκληρά και θα παγίδευαν ένα μαλακό ρομπότ στη θέση του.

Για να κάνουν το μικρό ρομπότ-ερπυστριοφόρο “έξυπνο”, έπρεπε να διανείμουν προσεκτικά εύκαμπτους κυκλώματα σε όλο το σώμα, ώστε να μπορεί να κάμπτεται. Ακόμη και η εύρεση πηγών ενέργειας είναι πιο δύσκολο: κάποια μαλακά ρομπότ χρησιμοποιούν εξωτερικά μαγνητικά πεδία ή πιεζόμενο αέρα, επειδή η μεταφορά ενός βαρέος μπαταριού θα τα βάρυνε.

Το σκουλήκι-ρομπότ του Georgia Tech (Φωτογραφία: Candler Hobbs)

Ένα άλλο εμπόδιο είναι η εκμετάλλευση της σωστής φυσικής. Η ομάδα του νηματώδη-ρομπότ έμαθε ότι τα κinks στην πραγματικότητα βοηθούν. Σε ένα κανονικό ρηχό σωλήνα, ένα κink σταματά γρήγορα τη ροή· αλλά σε ένα μαλακό σκουλήκι, το κink χτίζει αργά την εσωτερική πίεση, επιτρέποντας πολύ περισσότερη κάμψη πριν από την απελευθέρωση. Με τη διεξαγωγή симуляσιών και ακόμη και μοντέλων με νερό-γεμισμένα μπαλόνια, οι ερευνητές έδειξαν ότι το ευέλικτο σώμα τους μπορούσε να κρατήσει πολλή ελαστική ενέργεια όταν κάμπτεται, και στη συνέχεια να την απελευθερώσει σε μια ταχεία πτήση. Το αποτέλεσμα είναι εντυπωσιακό: από την ηρεμία, το ρομπότ μπορεί να πηδήξει 10 πόδια ψηλά, επαναλαμβανόμενα, απλώς κάμπτοντας την σπονδυλική του στήλη. Αυτές οι καινοτομίες – η εύρεση τρόπων για αποθήκευση και απελευθέρωση ενέργειας σε ρηχά υλικά – είναι τυπικές της μηχανικής των μαλακών ρομπότ.

Πραγματικοί Πηδητές και Βοηθοί

Για τι είναι όλα αυτά τα μαλακά ρομπότ καλά; Σε теорία, μπορούν να αντιμετωπίσουν καταστάσεις που είναι demasiδο επικίνδυνες ή ακατάλληλες για σκληρά μηχανήματα. Σε περιοχές καταστροφών, για παράδειγμα, τα μαλακά ρομπότ μπορούν να κρυφτούν κάτω από ερείπια ή σε κατεστραμμένα κτίρια για να βρουν επιζώντες. Το Penn State έδειξε ένα πρωτότυπο μαγνητικά ελεγχόμενο μαλακό ρομπότ που μπορούσε να πλοηγηθεί σε στενά συντρίμμια ή ακόμη και να κινηθεί μέσα σε κανάλια μεγέθους αιμοφόρων αγγείων.

Στην ιατρική, μικροσκοπικά μαλακά ρομπότ θα μπορούσαν να παραδώσουν φάρμακα直接 στο σώμα. Σε μια μελέτη του MIT, ένα σκουλήκι-ρομπότ λεπτό σαν νήμα θα μπορούσε να πλεύσει μέσα σε αρτηρίες και να καθαρίσει θρόμβους, потенτικά θεραπεύοντας εγκεφαλικά επεισόδια χωρίς ανοιχτή χειρουργική. Οι επιστήμονες του Χάρβαρντ εργάζονται επίσης σε μαλακά φορητά εξο-σuits – ένα ελαφρύ φουσκωτό μανίκι που βοήθησε ασθενείς με ALS να σηκώσουν einen ώμο, βελτιώνοντας αμέσως την εύρος της κίνησής τους.

Οι διαστημικές υπηρεσίες εξετάζουν επίσης μαλακούς πηδητές. Τα τροχούς μπορούν να κολλήσουν στη άμμο ή τις πέτρες, αλλά ένα ρομπότ-πηδητής θα μπορούσε να πηδήξει πάνω από κρατήρες και δюнες. Η NASA φαντάζεται ακόμη καινοτόμους πηδητές για τη Σελήνη και τους παγωμένους δορυφόρους. Σε μια концепασία, ένα ρομπότ μεγέθους μπάλας ποδοσφαίρου που ονομάζεται SPARROW θα χρησιμοποιούσε ατμοσφαιρικές εκτοξεύσεις (από βραστό πάγο) για να πηδήξει πολλά μίλια πάνω από τον Ευρώπα ή τον Enceladus. Σε τη χαμηλή βαρύτητα αυτών των δορυφόρων, ένα μικρό πήδημα μπορεί να φτάσει πολύ μακριά – οι επιστήμονες σημειώνουν ότι ένα πήδημα ενός μέτρου σε μια ρομπότ στη Γη θα μπορούσε να την μεταφέρει 100 μέτρα στον Enceladus. Η ιδέα είναι ότι δεκάδες από αυτά τα ρομπότ-πηδητές θα μπορούσαν να διασχίσουν το εξωγήινο έδαφος “με πλήρη ελευθερία να ταξιδέψουν” όπου τα ρομπότ με τροχούς θα σταματούσαν. Πίσω στη Γη, μελλοντικά μαλακά ρομπότ-πηδητές θα μπορούσαν να βοηθήσουν σε αποστολές έρευνας και διάσωσης πηδώντας πάνω από ποτάμια, λάσπη ή ασταθές έδαφος που θα σταματούσε τα συμβατικά ρομπότ.

Τα μαλακά ρομπότ βρίσκουν επίσης δουλειά στη βιομηχανία και τη γεωργία. Το NSF σημειώνει ότι θα μπορούσαν να γίνουν ασφαλείς βοηθοί σε εργοστάσια ή σε φάρμες, επειδή συμμορφώνονται αν ένας άνθρωπος είναι στο δρόμο. Οι ερευνητές έχουν ακόμη κατασκευάσει μαλακούς grippers που πιάνουν απαλά ευαίσθητο φρούτο χωρίς να το χαλάει. Η ευελιξία των μαλακών μηχανημάτων σημαίνει ότι μπορούν να δράσουν σε μέρη που είναι πολύ μικρά ή ευέλικτα για σκληρά συσκευές.

Στο τέλος, οι εμπειρογνώμονες πιστεύουν ότι η μαλακή ρομποτική θα αλλάξει θεμελιωδώς πολλά πεδία. Από σκουλήκια σε φορητές στολές μέχρι σεληνιακούς πηδητές, αυτή η ερευνητική γραμμή δείχνει πώς η μελέτη μικρών πλασμάτων μπορεί να οδηγήσει σε μεγάλες προόδους στην τεχνολογία.