Madot, jouset ja pehmeät robotit: Pienet olonet inspiroivat jättimäisiä loikkia

Georgia Techin tutkijat esittivät hiljattain vaikuttavan saavutuksen: 5 tuuman pituisen pehmeän robotin, joka voi sinkoutua 10 jalkaa ilmaan – korkeuden, joka on sama kuin koripalloon – ilman jalkoja. Suunnittelu sai inspiraationsa nöyrästä nematodista, pienestä pyöreästä madosta, joka on ohuempi kuin ihmisen hius ja joka voi hypätä useita kertoja oman pituutensa.

Kuristaen kehoaan tiukkaan kiharoihin, mato varastoi elastista energiaa ja sitten vapauttaa sen yhtäkkiä, sinkoutuen ylös tai taakse kuin akrobaattinen voimistelija. Insinöörit mimesivät tämän liikkeen. Heidän “SoftJM” -robotti on perustuu flexibeleen silikonivarsiin, jossa on jäykän hiili- ja kuiturunko. Sen mukaan, miten se taipuu, se voi hypätä eteen- tai taaksepäin – vaikka sillä ei ole pyöriä tai jalkoja.

Toiminnassa nematodin inspiroima robotti kiertyy ylös paljon kuin henkilö, joka laskee polviaan, ja sitten räjähtäen oikeaan asentoon hypätä. Nopean kameran avulla voidaan nähdä, miten mato kaartaa päänsä ylös ja kiertyy keskivartalonsa keskivaiheilla loikkaamaan taakse, ja sitten suoristaa ja kiertyy hännästään loikata eteen.

Georgia Techin tiimi totesi, että nämä tiukat kiertymät – jotka ovat yleensä ongelma letkuissa tai kaapeleissa – antavat itse asiassa madolle ja robotille varastoida paljon enemmän energiaa. Kuten yksi tutkija totesi, kiertyneet pillit tai letkut ovat hyödyttömiä, mutta kiertynyt mato toimii kuin latautunut jouset. Laboratoriossa pehmeä robotti toteutti tämän temppun: se “puristi” keskivartaloaan tai häntäänsä, jännitti ja sitten vapautti räjähdysmäisesti (noin yksi kymmenesosa millisekuntia) lentääksensä ilmaan.

Pehmeät robotit nousussa

Pehmä robotti on nuori mutta nopeasti kasvava ala, joka usein ottaa vihjeitä luonnosta. Toisin kuin jäykät metallikoneet, pehmeät robotit valmistetaan joustavista materiaaleista, jotka voivat puristaa, venyttää ja sopeutua ympäristöönsä. Varhaiset merkkipaalualueet alalla ovat Harvardin Octobot – itsestään toimiva robotti, joka on valmistettu kokonaan silikonista ja nestekanavista, ilman jäykkiä osia, ja joka on inspiroitu mustekalan lihasten toiminnasta. Sen jälkeen insinöörit ovat rakentaneet joukon pehmiä koneita: madonkaltaisia ryömijöitä ja jellifioiden otteita, käyttöön tarkoitettuja “eksosuitteja” ja rullivaan viiniköynnöksen kaltaisia roboteja.

Esimerkiksi Yalen tutkijat loivat kilpikonnasta inspiroidun pehmeän robotin, jonka jalat vaihtavat välillä löysät evät ja jäykät “maajalat” sen mukaan, onko se uimassa vai kävelemässä. UCSB:ssä tutkijat rakensivat viiniköynnösmäisen robotin, joka kasvaa kohti valoa ainoastaan valonherkkään “ihon” avulla – se venyttää itseään kirjaimellisesti kapeiden tilojen läpi kuin kasvin varsi. Nämä ja muut bio-inspiroidut innovaatiot osoittavat, miten pehmeät materiaalit voivat luoda uusia liikkeen muotoja.

Kaiken kaikkiaan kannattajat sanovat, että pehmeät robotit voivat mennä paikkoihin, joissa perinteiset robotit eivät pääse. Yhdysvaltain kansallinen tiedesäätiö toteaa, että sopeutuvat pehmeät koneet “tutkivat avaruuksia, joita perinteiset robotit eivät voi käydä” – jopa ihmiskehon sisällä. Jotkut pehmeät robotit ovat ohjelmoitavissa “iholla”, joka muuttaa jäykkyyttään tai väriä sulautuakseen esineisiin tai ottaakseen niitä kiinni. Insinöörit tutkivat myös origami/kirigami-tekniikoita, muistipolymeerejä ja muita temppuja, jotta nämä robotit voivat muuttaa muotoa lennossa.

Insinöörit suunnittelevat joustavaa liikettä

Pehmeän robotin tekeminen eläimen liikkeen kaltaiseksi on suuri haaste. Ilman kovaan liittymiin tai moottoreita suunnittelijoiden on turvauduttava materiaalien ominaisuuksiin ja älykkäisiin geometrioihin. Esimerkiksi Georgia Techin hyppijän olisi sisällyttävä hiili- ja kuiturunko joustavaan, kumiseen kehoon, jotta kevyt toiminto olisi voimakas. Anturien ja ohjausjärjestelmien integrointi on myös hankalaa. Penn Staten insinöörit korostavat, että perinteinen elektroniikka on jäykkoa ja jäädyttäisi pehmeän robotin paikoilleen.

Tehdäkseen pienen ryömivän pelastusrobotin “älykkääksi”, heidän piti levittää joustavia piiriä huolellisesti kehon ympärille, jotta se voisi edelleen taipua. Jopa energianlähteiden löytäminen on vaikeampaa: jotkut pehmeät robotit käyttävät ulkoisia magneettikenttiä tai paineilmaa, koska raskas akku painaisi ne alas.

Nematodin inspiroidut pehmeät robotit Georgia Techistä (Kuva: Candler Hobbs)

Toinen este on hyödyntää oikeaa fysiikkaa. Nematodi-robotti tiimi oppi, että kiertymät auttavat. Normaaleissa kumilevyissä kiertyminen pysäyttää nopeasti virtauksen, mutta pehmeässä madossa se hidastaa sisäistä painetta, jolloin se voi taipua ennen vapauttamista paljon enemmän. Kokeilemalla simulaatioita ja jopa vesi-täytteisiä mallimalleja tutkijat osoittivat, että heidän joustava kehonsa voi pitää paljon elastista energiaa, kun se taipuu, ja sitten vapauttaa sen yhdessä nopeassa loikassa. Tuloksena on hämmästyttävä: lepotilasta robotti voi hypätä 10 jalkaa korkeaan, toistuvasti, vain taipumalla selkäänsä. Nämä läpimurrot – keinojen löytäminen tallentamaan ja vapauttamaan energiaa kumimateriaaleissa – ovat tyypillisiä pehmeän robotiikan insinööritöitä.

Todelliset hyppijät ja avustajat

Miksi kaikki nämä pehmeät robotit ovat hyviä? Periaatteessa ne voivat käsitellä tilanteita, jotka ovat liian vaarallisia tai hankalia jäykille koneille. Esimerkiksi onnettomuusalueilla pehmeät robotit voivat kiemurrella romun alle tai sortuneisiin rakennuksiin etsimään selviytyjiä. Penn State esitteli magnetisesti ohjatun pehmeän ryömijän, joka voi navigoida tiukkojen romujen läpi tai jopa liikkua verisuonten kokoisissa kanavissa.

Lääketieteessä mikroskooppiset pehmeät robotit voivat toimittaa lääkkeitä suoraan kehoon. Yhdessä MIT-tutkimuksessa ohut pehmeä robotti suunniteltiin liikkumaan verisuonissa ja puhdistamaan veritulppia, mikä voisi hoitaa aivoinfarkteja ilman avosairaalaoperaatiota. Harvardin tutkijat työskentelevät myös pehmeiden käyttöexoskelettien parissa – kevyt, ilmatäytteinen hihna, joka auttoi ALS-potilaita kohottamaan olkapäitänsä ja parantamaan liikuntakykyään.

Avaruusjärjestöt ovat myös kiinnostuneita pehmeistä hyppijöistä. Pyörät voivat jumiutua hiekkaan tai kiviin, mutta hyppivä robotti voisi ylittää kraattereita ja duneja. NASA kuvittelee jopa uusia hyppijöitä Kuun ja jääkuun päälle. Yhdessä konseptissa, jalkapallon kokoisessa botissa nimeltä SPARROW, käytetään höyryvirtauksia (jäätymisen seurauksena) hyppiäksensä useita mailia Euroopan ja Enceladus-kuun yli. Näiden kuun alhaisessa gravitaatiossa pieni hyppy kantaa erittäin pitkälle – tutkijat toteavat, että robotin yhden metrin hyppy Maassa voisi viedä sen sata metriä Enceladus-kuussa. Idea on, että kymmenet nämä hyppijät voivat vyöryä vierasmaisella alueella “täydellisellä vapaudella liikkua”, missä pyörilliset roversit jäävät jumiin. Maapallolla tulevaisuuden pehmeät hyppijät voivat auttaa etsintä- ja pelastustehtävissä hyppelemällä yli jokia, mutaa tai epävakaita maastoja, jotka pysäyttäisivät perinteiset robotit.

Pehmeät robotit löytävät myös työtä teollisuudesta ja maataloudesta. NSF korostaa, että ne voivat tulla turvallisiksi avustajiksi tehtaan lattioilla tai maatiloilla, koska ne antavat periksi, jos ihminen on tiellä. Tutkijat ovat jopa rakentaneet pehmiä otteita, jotka poimivat hellästi herkkää hedelmää ilman mustelmaa. Pehmeiden koneiden joustavuus tarkoittaa, että ne voivat toimia paikoissa, jotka ovat liian pieniä tai joustavia jäykille laitteille.

Lopulta asiantuntijat uskovat, että pehmeät robotit muuttavat perustavasti monia aloja. Madosta käyttöexoskeletteihin ja kuuhyppijöihin, tämä tutkimus osoittaa, miten pienten olentojen tutkiminen voi johtaa suuriin loikkauksiin teknologiassa.