Cacing, Pegas, dan Robot Lunak: Makhluk Kecil Menginspirasi Lompatan Raksasa

Peneliti di Georgia Tech baru-baru ini mengungkapkan sebuah pencapaian yang mengesankan: sebuah robot lunak sepanjang 5 inci yang dapat meluncurkan dirinya 10 kaki ke udara – setinggi keranjang bola basket – tanpa kaki. Desain ini terinspirasi oleh nematoda yang sederhana, sebuah cacing bulat yang lebih tipis dari rambut manusia yang dapat melompat beberapa kali panjang tubuhnya. 

Dengan mengkerutkan tubuhnya menjadi kinks yang ketat, cacing menyimpan energi elastis dan kemudian melepaskannya secara tiba-tiba, melemparkan dirinya ke udara atau ke belakang seperti seorang atlet gymnastik. Insinyur meniru gerakan ini. Robot “SoftJM” mereka pada dasarnya adalah sebuah batang silikon yang fleksibel dengan tulang belakang karbon-fiber yang kaku. Tergantung pada bagaimana ia membengkok, ia dapat melompat ke depan atau ke belakang – bahkan tanpa roda atau kaki.

Dalam aksi, robot yang terinspirasi nematoda ini menggulung dirinya seperti orang yang berjongkok, kemudian melepaskan dirinya secara eksplosif untuk melompat. Kamera kecepatan tinggi menunjukkan bagaimana cacing melengkungkan kepalanya ke atas dan mengkerutkan bagian tengah tubuhnya untuk melompat ke belakang, kemudian meluruskan dan mengkerutkan ekornya untuk melompat ke depan. 

Tim Georgia Tech menemukan bahwa kinks yang ketat ini – biasanya menjadi masalah pada selang atau kabel – sebenarnya memungkinkan cacing dan robot untuk menyimpan energi yang jauh lebih banyak. Seperti yang dikatakan oleh seorang peneliti, selang atau kabel yang mengkerut tidak berguna, tetapi cacing yang mengkerut bertindak seperti pegas yang terisi. Di laboratorium, robot lunak mengulangi trik ini: ia “mengkerutkan” bagian tengah atau ekornya, menegangkan, dan kemudian melepaskan dalam ledakan (sekitar satu per sepuluh milidetik) untuk melompat ke udara.

Robot Lunak Muncul

Robotika lunak adalah bidang yang masih muda tetapi tumbuh dengan cepat yang sering mengambil petunjuk dari alam. Tidak seperti mesin logam yang kaku, robot lunak terbuat dari bahan yang fleksibel yang dapat menyusut, meregang, dan beradaptasi dengan lingkungannya. Milstone awal di bidang ini termasuk Octobot Harvard – sebuah robot otonom yang terbuat sepenuhnya dari silikon dan saluran cair, tanpa bagian kaku, terinspirasi oleh otot gurita. Sejak itu, insinyur telah membangun berbagai mesin lunak: dari merayap seperti cacing dan genggam yang seperti jeli hingga “exo-suit” yang dapat dikenakan dan robot yang seperti tanaman merambat. 

Sebagai contoh, peneliti Yale menciptakan sebuah robot lunak yang terinspirasi kura-kura yang kaki-kakinya dapat berubah antara kaki yang lembek dan kaki yang kaku tergantung pada apakah ia sedang berenang atau berjalan. Di UCSB, ilmuwan membuat sebuah robot yang seperti tanaman merambat yang tumbuh menuju cahaya menggunakan hanya “kulit” yang sensitif terhadap cahaya – ia secara harfiah memanjangkan dirinya melalui ruang yang sempit seperti batang tanaman. Inovasi-inovasi ini dan lainnya menunjukkan bagaimana bahan lunak dapat menciptakan mode gerakan baru.

Secara keseluruhan, pendukungnya mengatakan bahwa robot lunak dapat pergi ke tempat-tempat yang tidak dapat dijangkau oleh robot tradisional. Yayasan Sains Nasional AS mencatat bahwa mesin lunak yang adaptif “menjelajahi ruang yang sebelumnya tidak dapat dijangkau oleh robot tradisional” – bahkan di dalam tubuh manusia. Beberapa robot lunak memiliki “kulit” yang dapat diprogram yang dapat berubah kekakuan atau warna untuk menyatu atau menggenggam benda. Insinyur juga menjelajahi teknik origami/kirigami, polimer yang memiliki memori bentuk, dan trik-trik lainnya sehingga robot-robot ini dapat mengubah bentuk secara dinamis.

Mengembangkan Gerakan Fleksibel

Membuat robot lunak bergerak seperti hewan datang dengan tantangan besar. Tanpa sendi yang kaku atau motor, desainer harus mengandalkan sifat bahan dan geometri yang cerdas. Sebagai contoh, jumper Georgia Tech harus memiliki tulang belakang karbon-fiber di dalam tubuh karet untuk membuat aksi pegas yang cukup kuat. Mengintegrasikan sensor dan sistem kontrol juga sulit. Seperti yang dikatakan oleh insinyur Penn State, elektronik tradisional kaku dan akan membekukan robot lunak di tempat.

Untuk membuat robot merayap kecil mereka “cerdas,” mereka harus menyebarkan sirkuit fleksibel secara hati-hati di seluruh tubuh sehingga masih dapat membengkok. Bahkan menemukan sumber energi lebih sulit: beberapa robot lunak menggunakan medan magnet eksternal atau udara bertekanan karena membawa baterai yang berat akan menurunkan mereka.

Robot lunak yang terinspirasi nematoda dari Georgia Tech (Foto: Candler Hobbs)

Hambatan lainnya adalah mengeksploitasi fisika yang tepat. Tim nematoda-robot belajar bahwa kinks sebenarnya membantu. Dalam tabung karet normal, kink akan segera menghentikan aliran; tetapi dalam cacing lunak, kink membangun tekanan internal secara perlahan, memungkinkan banyak lebih membengkok sebelum melepaskan. Dengan bereksperimen dengan simulasi dan bahkan model balon yang diisi air, peneliti menunjukkan bahwa tubuh fleksibel mereka dapat menyimpan banyak energi elastis ketika membengkok, kemudian melepaskannya dalam satu lompatan cepat. Hasilnya luar biasa: dari keadaan diam, robot dapat melompat 10 kaki tinggi, berulang kali, dengan hanya membengkokkan tulang belakangnya. Terobosan-terobosan ini – menemukan cara untuk menyimpan dan melepaskan energi dalam bahan karet – adalah khas dari teknik robotika lunak.

Robot Lunak di Dunia Nyata

Apa yang dapat dilakukan oleh semua robot lunak ini? Secara prinsip, mereka dapat menangani situasi yang terlalu berbahaya atau tidak nyaman bagi mesin kaku. Di zona bencana, misalnya, robot lunak dapat merayap di bawah puing-puing atau ke dalam bangunan yang runtuh untuk menemukan korban. Penn State menunjukkan sebuah prototipe robot merayap lunak yang dikendalikan magnetik yang dapat menavigasi puing-puing yang ketat atau bahkan bergerak melalui saluran yang seukuran dengan pembuluh darah.

Dalam bidang medis, robot lunak mikroskopik dapat mengirimkan obat langsung ke dalam tubuh. Dalam satu studi MIT, sebuah robot lunak yang setipis benang dilihat dapat mengapung melalui arteri dan membersihkan gumpalan, potensial untuk mengobati stroke tanpa operasi terbuka. Ilmuwan Harvard juga bekerja pada eksoskeleton yang dapat dikenakan – sebuah lengan yang dapat mengembang ringan yang membantu pasien ALS mengangkat bahu, segera memperbaiki jangkauan gerak mereka.

Badan antariksa juga memperhatikan robot lunak yang dapat melompat. Roda dapat terjebak di pasir atau batu, tetapi robot yang dapat melompat dapat melompati kawah dan bukit pasir. NASA bahkan membayangkan robot-robot yang dapat melompat untuk Bulan dan bulan es. Dalam satu konsep, sebuah robot berukuran bola sepak yang disebut SPARROW akan menggunakan jet uap (dari es yang mendidih) untuk melompat beberapa mil di Europa atau Enceladus. Di gravitasi rendah bulan-bulan tersebut, lompatan kecil dapat membawa robot sangat jauh – ilmuwan mencatat bahwa lompatan satu meter di Bumi dapat membawa robot seratus meter di Enceladus. Ideanya adalah bahwa puluhan robot-robot ini dapat bergerak di seluruh medan asing “dengan kebebasan untuk bepergian” di mana robot roda akan terjebak. Kembali ke Bumi, robot-robot yang dapat melompat di masa depan dapat membantu dalam misi pencarian dan penyelamatan dengan melompati sungai, lumpur, atau tanah yang tidak stabil yang akan menghentikan robot konvensional.

Robot lunak juga menemukan pekerjaan di industri dan pertanian. NSF mencatat bahwa mereka dapat menjadi pembantu yang aman di lantai pabrik atau di pertanian, karena mereka mengikuti jika ada manusia di jalan. Peneliti telah membangun robot genggam lunak yang dapat mengambil buah yang rapuh tanpa merusaknya. Fleksibilitas mesin lunak berarti mereka dapat bertindak di tempat-tempat yang terlalu kecil atau fleksibel untuk perangkat kaku.

Pada akhirnya, para ahli percaya bahwa robotika lunak akan mengubah banyak bidang secara mendasar. Dari cacing hingga pakaian yang dapat dikenakan hingga robot yang dapat melompat di Bulan, benang penelitian ini menunjukkan bagaimana mempelajari makhluk kecil dapat menghasilkan lompatan besar dalam teknologi.