Madot, jouset ja pehmeät robotit: Pienet eläimet inspiroivat suuria loikkia

Georgia Techin tutkijat esittivät hiljattain vaikuttavan saavutuksen: 5 tuuman pituisen pehmeän robotin, joka voi heittäytyä 10 jalkaa ilmaan – koripaloringin korkeuteen – ilman jalkoja. Suunnittelu sai inspiraationsa nemitädistä, jotka ovat hyvin ohuita ja voivat hypätä useita kertoja oman pituutensa.

Kutistamalla kehoaan tiukasti, mato varastoi elastista energiaa ja vapauttaa sen sitten yhtäkkiä, sinkoamalla itsensä ylös tai taakse kuin akrobaatti. Insinöörit jäljittivät tämän liikkeen. Heidän “SoftJM” -robotti on periaatteessa joustava silikonivarsi, jossa on kova hiili- ja kuitu- selkäranka. Sen mukaan, miten se taipuu, se voi hypätä eteen- tai taaksepäin – vaikka sillä ei ole pyöriä tai jalkoja.

Toiminnassa nematoodi-inspiroitu robotti kääriytyy ylös kuin ihminen, joka laskee itsensä, ja sitten räjähtäen ylös hyppää. Nopea kamera näyttää, miten mato kaartaa päänsä ylös ja kääriytyy keskivartaloon hypätäkseen taakse, ja sitten suoristaa ja kääriytyy hännästään hypätäkseen eteen.

Georgia Techin tiimi totesi, että nämä tiukat käännökset – jotka normaalisti ovat ongelma letkuissa tai kaapeleissa – antavat madolle ja robotille varastoida paljon enemmän energiaa. Kuten yksi tutkija totesi, käärittyneet pillit tai letkut ovat hyödyttömiä, mutta käärittyneet madot toimivat kuin latautuneet jouset. Laboratoriossa pehmeä robotti toteutti tämän temppun: se “puristi” keskivartaloaan tai häntäänsä, jännitti ja vapautti nopeasti (noin yksi kymmenesosa millisekuntia) lentääkseen ilmaan.

Pehmeät robotit nousussa

Pehmeä robotti on nuori, mutta nopeasti kasvava ala, joka usein ottaa vihjeitä luonnosta. Toisin kuin jäykät metallikoneet, pehmeät robotit ovat valmistettu joustavista materiaaleista, jotka voivat puristaa, venyä ja sopeutua ympäristöönsä. Varhaiset merkkipaalualueet alalla sisältävät Harvardin Octobotin – itsenäisen robotin, joka on valmistettu kokonaan silikonista ja nestekanavista, ilman jäykkiä osia, inspiroitu octopuslihasten toiminnasta. Sen jälkeen insinöörit ovat rakentaneet joukon pehmeitä koneita: madonkaltaisista ryömijöistä ja jellified grippereistä käytettäviin “exo-pukuihin” ja rullatiivisiin viiniköynnösmäisiin roboteihin.

Esimerkiksi Yale-tutkijat loivat kilpikonnasta inspiroidun pehmeän robotin, jonka jalat vaihtavat löysät evät ja jäykät “maajalat” sen mukaan, onko se uimassa vai kävelemässä. UCSB:ssä tutkijat rakensivat viiniköynnösmäisen robotin, joka kasvaa valoa kohti vain valoa herkkää “ihoa” – se kirjoittaa itseään kapeiden tilojen läpi kuin kasvien varsi. Nämä ja muut bio-inspiroidut innovaatiot osoittavat, miten pehmeät materiaalit voivat luoda uusia liikkeen muotoja.

Yleisesti ottaen, kannattajat sanovat, että pehmeät robotit voivat mennä paikkoihin, joissa perinteiset robotit eivät pysty. Yhdysvaltain kansallinen tiedesäätiö toteaa, että sopeutuvat pehmeät koneet “tutkivat tiloja, joita perinteiset robotit eivät voi tutkia” – jopa ihmiskehon sisällä. Jotkut pehmeät robotit voivat ohjelmoida “ihonsa” muuttamaan jäykkyys- tai väriä yhdistääkseen tai tarttumaan esineisiin. Insinöörit tutkivat myös origami/kirigami-tekniikoita, muisti-polymeerejä ja muita temppuja, jotta nämä robotit voivat uudelleenmuotoilla lennossa.

Joustavan liikkeen insinöörit

Pehmeän robotin tekeminen liikkuu eläimen lailla on suuri haaste. Ilman kova- ja moottorirakenteita suunnittelijoiden on turvauduttava materiaalien ominaisuuksiin ja älykkäisiin geometrioihin. Esimerkiksi Georgia Techin hyppijän on sisällyttävä hiili- ja kuitu- selkäranka joustavaan ruumiiseen, jotta kevyt toiminto olisi voimakas. Anturien ja ohjausjärjestelmien integrointi on myös hankalaa. Kuten Penn Staten insinöörit korostavat, perinteiset elektroniikka ovat jäykkiä ja jäätyisivät pehmeän robotin paikalleen.

Tehdäkseen pienen ryömivän pelastusrobotin “älykkääksi”, heidän on levitettyä joustavia piirejä huolellisesti kehon ympärille, jotta se voisi edelleen taipua. Energianlähteiden löytäminen on myös hankalampaa: jotkut pehmeät robotit käyttävät ulkoisia magneettikenttiä tai paineastetta, koska raskaan akun kantaminen painoisi ne alas.

Nematoodi-inspiroidut pehmeät robotit Georgia Techistä (Kuva: Candler Hobbs)

Toinen este on oikean fysiikan hyödyntäminen. Nematoodi-robotti tiimi oppi, että käännökset todella auttavat. Normaaliassa kumiputkessa käännös pysäyttää nopeasti virtauksen; mutta pehmeässä madossa se rakentaa hitaasti sisäistä painetta, jolloin se voi taipua paljon ennen vapauttamista. Kokeilemalla simulaatioita ja jopa vesi-täytteisiä pallomalleja, tutkijat osoittivat, että heidän joustava kehonsa voi pitää paljon elastista energiaa, kun se on taipunut, ja vapauttaa sen sitten yhdessä nopeassa hyppyssä. Tulos on vaikuttava: lepotilasta robotti voi hypätä 10 jalkaa korkeuteen, toistuvasti, vain taipumalla selkärankaansa. Nämä läpimurrot – keinojen löytäminen varastoida ja vapauttaa energiaa kumimateriaaleissa – ovat tyypillisiä pehmeän robotiikan insinööritöitä.

Todelliset hyppijät ja avustajat

Miksi kaikki nämä pehmeät robotit ovat hyviä? Periaatteessa ne voivat ottaa vastaan tilanteita, jotka ovat liian vaarallisia tai kömpelöitä jäykille koneille. Esimerkiksi onnettomuusalueilla pehmeät robotit voivat kiemurrella romun alle tai romahtaneisiin rakennuksiin löytääkseen selviytyjiä. Penn State esitti magnetisesti ohjatun pehmeän ryömijän, joka voi navigoida tiukkoja romuja tai jopa liikkua verisuonten kokoisissa kanavissa.

Lääketieteessä mikroskooppiset pehmeät robotit voivat toimittaa lääkkeitä suoraan kehoon. Yhdessä MIT-tutkimuksessa ohut pehmeä robotti oli suunniteltu liikkumaan verisuonissa ja puhdistamaan tukkeutumia, mikä voisi hoitaa aivoinfarkteja ilman avosairaalaoperaatiota. Harvardin tutkijat työskentelevät myös pehmeiden käytettävien eksoskeletojen parissa – kevyt ilmatäytteinen hihna, joka auttoi ALS-potilaita kohottamaan olkapäätään ja paransi välittömästi liikuntakykyään.

Avaruusjärjestöt ovat myös kiinnostuneita pehmeistä hyppijöistä. Pyörät voivat jumiutua hiekkaan tai kiviin, mutta hyppivä robotti voisi ylittää kraattereita ja duneja. NASA on jopa kuvitellut uusia hyppijöitä Kuun ja jääkuun päälle. Yhdessä konseptissa, jalkapallon kokoisessa robotissa SPARROW, joka käyttää höyrysuuttimia (jäätä keittämällä) hyppiä useita mailia Euroopan ja Enceladusin yli. Muiden kuun pienessä gravitaatiossa pieni hyppy voi kuljettaa robotin hyvin pitkälle – tutkijat toteavat, että robotin yhden metrin hyppy Maassa voisi viedä sen sata metriä Enceladusilla. Ajatus on, että kymmenet nämä hyppijät voivat vyöryä vierasmaaston yli “täydellisellä vapaudella liikkua” siellä, missä pyörilliset robotit jäävät jumiin. Maassa tulevaisuuden pehmeät hyppijät voivat auttaa etsintä- ja pelastustehtävissä hyppelemällä jokia, mutaa tai epävakaita maastoja, joissa perinteiset robotit eivät pysty liikkumaan.

Pehmeät robotit ovat myös löytäneet työtä teollisuudessa ja maataloudessa. NSF toteaa, että ne voivat tulla turvallisiksi avustajiksi tehtaan lattioilla tai maatiloilla, koska ne tottelevat, jos ihminen on tiellä. Tutkijat ovat jopa rakentaneet pehmeitä gripperejä, jotka ottelevat hellästi herkkää hedelmää ilman sen vahingoittamista. Pehmeiden koneiden joustavuus tarkoittaa, että ne voivat toimia paikoissa, jotka ovat liian pieniä tai joustavia jäykille laitteille.

Lopulta asiantuntijat uskovat, että pehmeä robottiikka muuttaa perustavasti monia aloja. Madosta käytettäviin pukuihin ja kuuhyppijöihin, tämä tutkimusnäyttää, miten pienten eläinten tutkiminen voi tuottaa suuria loikkia teknologiassa.