Tohtori David Zarrouk, Bioinspiroidun ja Lääketieteellisen Robottiikan Laboratorion Johtaja – Haastattelusarja

David on vanhempi luennoitsija (apulaisprofessori) Ben Gurionin yliopiston ME-osastolla ja Bioinspiroidun ja Lääketieteellisen Robottiikan Laboratorion johtaja. Hänen kiinnostuksensa ovat biomimeesiikan, millisysteemien, miniatyyrirobotiikan, joustavien ja liukkaiden vuorovaikutusten, avaruusrobotiikan, alivarmistettujen ja minimoiden toimintamekanismien sekä teoreettisen kinematiikan aloilla.

Mikä alun perin veti sinut robotiikan alalle?

Lapsuudestani lähtien olen aina ollut kiinnostunut koneista. Yritin aina rakentaa niitä, ja lopulta valmistuttuani BSc-tutkinnolla mekaniikasta, olin innoissani voidessani kehittää Ben-Gurionin yliopistossa roboteja, jotka voivat ryömiä kehon sisällä.

Sinulla on väitöskirja lääketieteellisestä robotiikasta. Mitkä lääketieteelliset robotiikkasovellukset ovat sinulle kaikkein mielenkiintoisimmat?

Mikä tahansa sovellus, joka vaatii tarkkuutta, voidaan ohjelmoida robottiin. Kaksi robottia, joilla olen työskennellyt aiemmin, olivat ne, jotka ryömivät kehon sisällä ja suorittavat aivoleikkauksia neulojen avulla.

Yksi roboteistasi on nimeltään The Flying Star, joka on hybridirymijä ja lentävä robotti. Mikä oli inspiraatio tämän robotin takana?

STAR-robotien levitysmechanismi on inspiroitu hyönteisistä, mutta sisältää myös pyöriä, mikä yhdistää bio-inspiroiden olentojen ja pyörillisten ajoneuvojen edut.

https://youtu.be/xLuQifpJv_8

Mitkä olivat haasteita The Flying Starin rakentamisessa?

Flying STAR ei ole tavallinen neljän roottorin lentokone, sillä se muuttaa siipiensä asentoa, mikä vaikuttaa sen yleiseen ohjausdynamiikkaan. Eri suunnittelumuuttujat olivat haasteellisia aluksi, ja siirtymä lentämisestä ajoon vaati ainutlaatuisia osia, jotka jouduttiin kehittämään itse.

Olin vaikuttunut siitä, kuinka monipuolinen The Flying Star on, se voi väistää esteitä, ryömiä niiden alle, lentää ylitse niiden, jne. Voitko keskustella siitä, miten The Flying Star tekee päätöksen siitä, mitä kuljetusmuotoa käyttää? Miten se päättää, ryömiikö se esteen alle vai lentäisikö sen ylitse?

Flying STAR on alun perin suunniteltu etsintä- ja pelastustehtäviin sekä viime mailin pakettien toimittamiseen. Kehitämme algoritmeja, jotka määräävät, milloin lentää ja milloin ajaa, perustuen etäisyyksiin ja energianvaatimusten lisäksi esteen muotoon. Päätösalgoritmi, jota kehitetään edelleen, perustuu kamerakarttaamiseen ympäröivästä ympäristöstä. Jos aukko on tarpeeksi korkea ryömiäkseen sen alle, FSTAR ajaa sen läpi. Muuten se lentää. Ihmisoperaattori saattaa edelleen olla tarpeen haastavissa, ahtaisissa tiloissa (kuten romussa).

Ensivaikutelmani, kun näin videon Minimally actuated Reconfigurable Continuous Track Robotista, oli, että se olisi täydellinen etsintä- ja pelastustehtäviin kameran kanssa. Mitkä ovat joitain käyttötarkoituksia, joita sinä näet tällaiselle robotille?

Reconfigurable continuous track robotti on pääasiassa kehitetty etsintä- ja pelastustehtäviin vaikeissa maastoissa, kuten romussa. Se voidaan kuitenkin käyttää myös muihin sovelluksiin, kuten kaivauksiin, maatalouteen ja putkien sisäpuolelle teolliseen ylläpitoon.

https://youtu.be/L_seM8sRPik

Yksi aiemmista projekteistasi on SAW, Minimally actuated Reconfigurable Continuous Track Robot. Mikä oli inspiraatio tämän robotin takana?

SAW-robotti (single actuator wave) oli alun perin inspiroitu miniatyyribiologisista organismeista, jotka uivat aaltoilemalla häntäänsä. Tämän robotin luominen oli erittäin haasteellista. Vaikka yhtälöt osoittivat, että yksi moottori tarvitaan aallon liikkeen kehittämiseen, sen mekanisen toteuttaminen ei ollut yksinkertaista. Löysin ratkaisun, kun opetin kurssia Mekaaninen suunnittelu ja tajusin, että keinan sivuprojektio on sinifunktio, joka etenee, kun keinankoferi pyöritetään

https://youtu.be/w25zF1bWx5o

Kuinka pieneksi voit lopulta tehdä SAW:n? Onko mahdollista saada vastaavaa kokoa oleva robotti tulevaisuudessa, jota voidaan käyttää kehon sisällä liikkumiseen?

SAW-robotin pääasiallinen tarkoitus on ryömiä kehon sisällä. Viimeisin suunnitelmani on alle 1,5 cm leveä, ja se pystyy ryömiä sian (ex-vivo) suoliston sisällä. Tällä hetkellä etsimme rahoitusta kehittääksemme pienempiä roboteja, jotka voivat ryömiä ruoansulatuskanavan sisällä. Uskomme, että tämä on erittäin mahdollista.

Yksi havainto, jonka tein robotteistasi, on, että monet niistä perustuvat yksinkertaisuuteen. Yritätkö tahallisesti olla minimalistinen komponenttien määrässä jokaisessa robotissa?

Seuraamme yksinkertaisuuden logiikkaa. Yksi Albert Einsteinin lauseisiin kuuluu ”Kaikki pitäisi olla yhtä yksinkertaista kuin mahdollista, mutta ei yksinkertaisempaa”. Pienempi komponenttien määrä tarkoittaa parempaa luotettavuutta, pidempää toimintaaika, suurempaa tehotiheyttä ja helpottaa robotien koon pienentämistä.

Mitä sinä parhaillaan työstät?

Ben-Gurionin yliopiston laboratoriossani työstämme useita projekteja, mukaan lukien robotti, joka voi ryömiä kehon sisällä, sarjaroboteja maataloussovelluksiin ja joitain pieniä etsintä- ja pelastusroboteja.

Onko sinulla jotain muuta, mitä haluaisit jakaa lukijoillemme?

Rohtunen kannustan vanhempia ja lapsia osallistumaan mekaaniseen/robotiikkaan. Nykyisen teknologian ansiosta on mahdollista ostaa käyttäjäystävällisiä komponentteja (3D-tulostimet, arduino-ohjaimet, moottorit, anturit jne.) edulliseen hintaan ja ohjelmoida niitä kotiresursseilla. Se voi olla hauska toiminta koko perheelle (erityisesti tällä hetkellä, jolloin olemme pääasiassa kotona). Rohtunen myös kannustan lapsia osallistumaan tieteisiin ja tietokoneiden käyttöön koulutusmielessä (ei pelkästään pelaamiseen).

Kiitos haastattelusta. Nautin todella oppimasta sinun ainutlaatuisesta lähestymistavasta innovatiivisen robotiikan suunnittelussa. Lukijat, jotka haluavat oppia lisää, voivat vierailla Bioinspiroidun ja Lääketieteellisen Robottiikan Laboratoriossa.