Férgek, rugók és puha robotok: Apró lények inspirálják az óriási ugrásokat

A Georgia Tech kutatói a közelmúltban lenyűgöző eredményt hozott nyilvánosságraEgy 5 centiméter hosszú, puha robot, amely lábak nélkül képes 10 méter magasra – egy kosárlabdapalánk magasságába – katapultálni magát a levegőbe. A dizájnt a szerény fonálféreg ihlette, egy apró, az emberi hajszálnál vékonyabb hengeresféreg, amely testhosszának sokszorosát képes ugrani. 

Azzal, hogy testét szorosan összenyomja, a féreg rugalmas energiát tárol, majd hirtelen felszabadítja azt, és az ég felé vagy hátra repül, mint egy akrobatikus tornász. A mérnökök ezt a mozgást utánozták. „SoftJM” robotjuk lényegében egy rugalmas szilikonrúd, merev szénszálas gerinccel. Attól függően, hogyan hajlik, előre vagy hátra tud ugrani – annak ellenére, hogy nincsenek kerekei vagy lábai.

Akció közben a fonálférgek ihlette robot feltekeredik, mint egy guggoló ember, majd robbanásszerűen kiegyenesedik, hogy ugorjon. Egy nagy sebességű kamera mutatja, hogyan görbíti fel a fejét a teste közepén, hogy hátraugorjon, majd kiegyenesedik és a farkánál megtörik, hogy előre ugorjon. 

A Georgia Tech csapata felfedezte, hogy ezek a szűk kanyarok – amelyek általában a tömlőkben vagy kábelekben okoznak problémát – valójában lehetővé teszik, hogy a féreg és a robot sokkal több energiát tároljon. Ahogy egy kutató megjegyezte, a megtört szívószálak vagy tömlők haszontalanok, de egy megtört féreg úgy viselkedik, mint egy terhelt rugó. A laboratóriumban a puha robot reprodukálva ezt a trükköt: „megcsípi” a közepét vagy a farkát, megfeszül, majd egy hirtelen (körülbelül egy tized ezredmásodperc alatt) elengedi, hogy a levegőbe emelkedjen.

Feltörekvő lágy robotok

A lágy robotika egy fiatal, de gyorsan növekvő terület, amely gyakran a természetből merít ihletet. A merev fémgépekkel ellentétben a lágy robotok rugalmas anyagokból készülnek, amelyek képesek összenyomódni, nyúlni és alkalmazkodni a környezetükhöz. A terület korai mérföldkövei közé tartozik Harvard Octobotja – egy teljes egészében szilikonból és folyadékcsatornákból készült autonóm robot, merev alkatrészek nélkül, a polip izmai ihlették. Azóta a mérnökök lágy gépek egész sorát építették: a féregszerű mászóktól és a kocsonyásodott megfogóktól kezdve a viselhető „exo-ruhákig” és a guruló, indaszerű robotokig. 

Például a Yale Egyetem kutatói létrehoztak egy teknős ihlette puha robotot, amelynek lábai a lombos uszonyok és a szilárd „szárazföldi lábak” között váltanak attól függően, hogy úszik vagy sétál. A UCSB-n a tudósok egy indaszerű robotot készítettek, amely kizárólag fényérzékeny „bőr” segítségével növekszik a fény felé – szó szerint szűk réseken keresztül nyújtja magát, mint egy növényi szár. Ezek és más biológiai ihletésű innovációk azt mutatják, hogy a puha anyagok hogyan hozhatnak létre új mozgásmódokat.

Összességében a támogatók szerint a lágy robotok olyan helyekre is eljuthatnak, ahová a hagyományos robotok nem. Az Egyesült Államok Nemzeti Tudományos Alapítványának jegyzetei hogy az adaptív lágy gépek „olyan tereket fedeznek fel, amelyek korábban a hagyományos robotok számára elérhetetlenek voltak” – még az emberi testen belül is. Néhány lágy robot programozható „bőrrel” rendelkezik, amely megváltoztatja a merevséget vagy a színt, hogy beleolvadjon a tárgyakba vagy megfogja azokat. A mérnökök is vizsgálják origami/kirigami technikák, alakmemóriás polimerek és egyéb trükkök, amelyekkel ezek a robotok menet közben átkonfigurálhatják magukat.

Rugalmas mozgás mérnöki

Egy puha robot állati mozgásra való rákényszerítése nagy kihívásokkal jár. Kemény ízületek vagy motorok nélkül a tervezőknek az anyagtulajdonságokra és az okos geometriára kell támaszkodniuk. Például a Georgia Tech ugrórobotjának egy szénszálas gerincet kellett beépítenie a gumiszerű testébe, hogy a rugózás elég erős legyen. Az érzékelők és vezérlőrendszerek integrálása is bonyolult. Ahogy... A Penn State mérnökei rámutatnakA hagyományos elektronika merev, és egy puha robotot a helyén fagyasztana meg.

Ahhoz, hogy apró, mászó mentőrobotjukat „okossá” tegyék, rugalmas áramköröket kellett gondosan elosztaniuk a testen, hogy az továbbra is hajlítható legyen. Még az energiaforrások megtalálása is nehezebb: egyes lágy robotok külső mágneses mezőket vagy sűrített levegőt használnak, mert egy nehéz akkumulátor cipelése lenehezítené őket.

A Georgia Tech fonálférgek által ihletett lágy robotjai (Fotó: Candler Hobbs)

Egy másik akadály a megfelelő fizika kiaknázása. A fonálféreg-robot csapat rájött, hogy a törések valójában segítenek. Egy normál gumicsőben a törés gyorsan megállítja az áramlást; de egy puha féregben lassan növeli a belső nyomást, ami sokkal nagyobb hajlást tesz lehetővé a kioldás előtt. Szimulációkkal és akár vízzel töltött ballonmodellekkel végzett kísérletekkel a kutatók kimutatták, hogy rugalmas testük hajlításkor sok rugalmas energiát képes megtartani, majd egyetlen gyors ugrással felszabadítani. Az eredmény figyelemre méltó: a robot nyugalmi állapotból 10 méter magasra tud ugrani, ismételhetően, egyszerűen a gerincének behajlításával. Ezek az áttörések – módok keresése arra, hogy… tárolni és a engedje energia a gumi anyagokban – jellemzőek a lágy robotika mérnöki tudományára.

Valós világbeli ugrókötelesek és segítők

Mire jók ezek a lágy robotok? Elvileg képesek kezelni azokat a helyzeteket, amelyek túl veszélyesek vagy kényelmetlenek a merev gépek számára. Katasztrófa sújtotta övezetekben például a lágy robotok képesek bemászni a romok alá vagy az összeomlott épületekbe, hogy túlélőket találjanak. A Penn State bemutatott egy mágnesesen vezérelt lágy robot prototípusát, amely képes navigálni a szűk törmelékekben, vagy akár véredény méretű csatornákon is mozogni.

Az orvostudományban a mikroszkopikus, lágy robotok közvetlenül a szervezetbe juttathatják a gyógyszereket. Egy MIT-tanulmányban egy fonalvékonyságú, lágy robotot képzeltek el, amely az artériákban lebegve eltávolítja a vérrögöket, potenciálisan nyílt műtét nélkül kezelve a stroke-ot. A Harvard tudósai puha, viselhető exoskeletonokon is dolgoznak – egy könnyű, felfújható hüvelyen, amely segített az ALS-betegeknek felemelni a vállukat, azonnal javítva mozgástartományukat.

Az űrügynökségek puha ugráló robotokat is fontolgatnak. A kerekek elakadhatnak a homokban vagy a sziklákon, de egy ugráló robot kráterek és dűnék felett is átugorhat. A NASA még a Holdra és a jeges holdakra is újszerű ugrókat képzel el. Az egyik koncepcióban egy futball-labda méretű robot, az úgynevezett VERÉB gőzsugarakat (forralt jégből) használna, hogy sok mérföldet ugorjon át az Európán vagy az Enceladuson. Ezeknek a holdaknak az alacsony gravitációja mellett egy kis ugrás is nagyon messzire visz – a tudósok megjegyzik, hogy egy robot egyméteres ugrása a Földön száz métert is el tudna vinni az Enceladuson. Az elképzelés az, hogy tucatnyi ilyen ugró robot száguldhatna át idegen terepen „teljes utazási szabadsággal”, ahol a kerekes roverek megállnának. Visszatérve a Földre, a jövőbeli puha ugrók segíthetnének a kutató-mentő küldetésekben folyók, sár vagy instabil talaj átugrásával, amelyek megállítanák a hagyományos robotokat.

A lágy robotok az iparban és a mezőgazdaságban is munkát találnak. Az NSF rámutat, hogy biztonságos segítőkké válhatnak a gyárakban vagy a gazdaságokban, mivel alkalmazkodnak, ha ember van az útjukban. A kutatók olyan lágy megfogókat is építettek, amelyek gyengéden szedik le a kényes gyümölcsöket anélkül, hogy megsérülnének. A lágy gépek rugalmassága azt jelenti, hogy olyan helyeken is képesek működni, amelyek túl kicsik vagy rugalmasak a merev eszközök számára.

A szakértők úgy vélik, hogy a lágy robotika végső soron számos területet alapvetően meg fog változtatni. A férgektől a viselhető ruhákon át a holdjárókig ez a kutatási téma bemutatja, hogyan hozhat nagy ugrásokat az apró lények tanulmányozása a technológiában.