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

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

Dengan menggenggam 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 batang silikon fleksibel dengan tulang punggung serat karbon 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 menggulung seperti orang yang berjongkok, kemudian melepaskan diri secara eksplosif untuk melompat. Kamera kecepatan tinggi menunjukkan bagaimana cacing melengkungkan kepalanya ke atas dan menggenggam di tengah tubuhnya untuk melompat ke belakang, kemudian meluruskan dan menggenggam di 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 menyimpan energi jauh lebih banyak. Seperti yang dikatakan oleh seorang peneliti, sedotan atau selang yang menggenggam tidak berguna, tetapi cacing yang menggenggam bertindak seperti pegas yang terisi. Di laboratorium, robot lunak mereproduksi trik ini: ia “menggenggam” tengah atau ekornya, menegangkan, dan kemudian melepaskan dalam ledakan (sekitar satu per sepuluh milidetik) untuk melayang ke udara.

Robot Lunak Muncul

Robotik 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 fleksibel yang dapat menyempit, meregang, dan beradaptasi dengan lingkungannya. Milstone awal di bidang ini termasuk Octobot Harvard – 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 gripper yang seperti jelly hingga “exo-suit” yang dapat dikenakan dan robot yang seperti tanaman merambat. 

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

Secara keseluruhan, pendukung menyatakan bahwa robot lunak dapat pergi ke tempat-tempat yang tidak dapat dijangkau oleh robot tradisional. Yayasan Sains Nasional AS mencatat bahwa mesin lunak 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 mengubah kekakuan atau warna untuk menyatu atau menggenggam benda. Insinyur juga mengeksplorasi teknik origami/kirigami, polimer dengan memori bentuk, dan trik lainnya sehingga robot-robot ini dapat mengubah konfigurasi saat terbang.

Menghasilkan Gerakan Fleksibel

Membuat robot lunak bergerak seperti hewan datang dengan tantangan besar. Tanpa sendi kaku atau motor, desainer harus mengandalkan sifat bahan dan geometri yang cerdas. Misalnya, jumper Georgia Tech harus menyertakan tulang punggung serat karbon di dalam tubuh karet untuk membuat aksi pegas cukup kuat. Mengintegrasikan sensor dan sistem kontrol juga sulit. Seperti yang peneliti Penn State tunjukkan, elektronik tradisional kaku dan akan membekukan robot lunak di tempat.

Untuk membuat robot penyelamat merayap kecil mereka “cerdas”, mereka harus menyebarkan sirkuit fleksibel secara hati-hati di seluruh tubuh sehingga masih bisa membengkok. Bahkan menemukan sumber energi lebih sulit: beberapa robot lunak menggunakan medan magnetik eksternal atau udara bertekanan karena membawa baterai berat akan menambah berat 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 cepat berhenti; tetapi dalam cacing lunak, kink membangun tekanan internal secara perlahan, memungkinkan banyak pembengkokan sebelum pelepasan. Dengan bereksperimen menggunakan 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 istirahat, robot dapat melompat 10 kaki tinggi, berulang kali, dengan hanya membengkokkan tulang punggungnya. Pencapaian ini – menemukan cara untuk menyimpan dan melepaskan energi dalam bahan karet – khas dari teknik robotik lunak.

Pelompat dan Pembantu Dunia Nyata

Apa guna 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 prototipe robot merayap lunak yang dikendalikan magnetik yang dapat bernavigasi melalui puing-puing yang ketat atau bahkan bergerak melalui saluran yang seukuran pembuluh darah.

Dalam kedokteran, robot lunak mikroskopik dapat mengantarkan obat langsung ke dalam tubuh. Dalam satu studi MIT, robot lunak se tipis benang diperkirakan dapat mengapung melalui arteri dan membersihkan gumpalan, potensial mengobati stroke tanpa operasi terbuka. Ilmuwan Harvard juga bekerja pada eksoskeleton lunak yang dapat dikenakan – lengan yang dapat mengembang ringan yang membantu pasien ALS mengangkat bahu, segera meningkatkan jangkauan gerakan mereka.

Badan antariksa juga memperhatikan pelompat lunak. Roda dapat terjebak di pasir atau batu, tetapi robot yang melompat dapat melompati kawah dan bukit pasir. NASA bahkan membayangkan pelompat baru untuk Bulan dan bulan es. Dalam satu konsep, robot seukuran bola sepak yang disebut SPARROW akan menggunakan jet uap (dari es yang direbus) untuk melompat beberapa mil di seluruh Europa atau Enceladus. Di gravitasi rendah bulan-bulan tersebut, lompatan kecil dapat membawa robot sangat jauh – ilmuwan mencatat bahwa lompatan satu meter robot di Bumi dapat membawanya seratus meter di Enceladus. Ide ini adalah bahwa puluhan pelompat seperti ini dapat bermigrasi di seluruh medan alien “dengan kebebasan penuh untuk bepergian” di mana rover yang menggunakan roda akan terjebak. Kembali ke Bumi, pelompat lunak 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 akan menyesuaikan diri jika manusia berada di jalan. Peneliti telah membangun gripper lunak yang dengan lembut memilih buah yang rapuh tanpa memar. Fleksibilitas mesin lunak berarti mereka dapat bertindak di tempat-tempat yang terlalu kecil atau fleksibel untuk perangkat kaku.

Pada akhirnya, ahli percaya bahwa robotik lunak akan mengubah banyak bidang secara mendasar. Dari cacing hingga setelan yang dapat dikenakan hingga pelompat bulan, penelitian ini menunjukkan bagaimana mempelajari makhluk kecil dapat menghasilkan lompatan besar dalam teknologi.