Mark, fjærer og myke roboter: små skapninger inspirerer store sprang

Forskere ved Georgia Tech har nylig avdekket en imponerende prestasjon: en 13 cm lang myk robot som kan katapultere seg 3 meter opp i luften – høyden av en basketballkurv – uten noen ben. Designet var inspirert av den beskjedne nematoden, en liten rundorm som er tynnere enn et menneskehår og kan hoppe mange ganger sin egen kroppslengde. 

Ved å knepe kroppen inn i stramme kinker, lagrer ormen elastisk energi og slipper den så plutselig løs, slynger seg oppover eller bakover som en akrobatisk gymnast. Ingeniørene kopierte denne bevegelsen. Deres “SoftJM”-robot er i realiteten en fleksibel silikonstang med en stiv karbonfiber-ryggrad. Avhengig av hvordan den bøyer seg, kan den hoppe fremover eller bakover – selv om den ikke har hjul eller ben.

I aksjon, krøller nematoden-inspirerte roboten seg opp mye likt en person som kneler, og så eksplosivt utretter den seg for å hoppe. En høyhastighetskamera viser hvordan ormen bøyer hodet opp og kinker i midten av kroppen for å hoppe bakover, og så retter den ut og kinker i halen for å hoppe fremover. 

Georgia Tech-teamet fant ut at disse stramme kinkene – vanligvis et problem i slanger eller kabler – faktisk lot ormen og roboten lagre langt mer energi. Som en forsker noterte, er kinkede strå eller slanger ubrukelige, men en kinket orm fungerer som en ladd spring. I laboratoriet gjentok den myke roboten denne trikken: den “kneper” midten eller halen, spenner opp og så slipper den løs i et brak (omtrent en tiendedel av en millisekund) for å stige opp i luften.

Myke roboter på fremmarsj

Myk robotikk er et ung, men raskt voksende felt som ofte tar hint fra naturen. I motsetning til stive metallmaskiner, er myke roboter laget av fleksible materialer som kan klemmes, strekkes og tilpasse seg omgivelsene. Tidlige milepæler i feltet inkluderer Harvards Octobot – en autonom robot laget helt av silikon og fluidekanaler, uten stive deler, inspirert av blækspruttmuskler. Siden da har ingeniører bygget en mengde myke maskiner: fra orme-lignende krypere og gelé-aktige grippere til bærbare “eksoskjelett” og rullende vin-lignende roboter. 

For eksempel skapte Yale-forskere en skilpadde-inspirert myk robot hvis ben skifter mellom floppy flippere og faste “landben” avhengig av om den svømmer eller går. Ved UCSB lagde forskerne en vin-lignende robot som vokser mot lys ved hjelp av bare lys-følsom “hud” – den utvider seg faktisk gjennom smale rom som en plantestengel. Disse og andre bio-inspirerte innovasjoner viser hvordan myke materialer kan skape nye bevegelsesmåter.

Samlet sett mener tilhengerne at myke roboter kan gå steder tradisjonelle roboter ikke kan. U.S. National Science Foundation påpeker at adaptive myke maskiner “utforsker rom som tidligere var utilgjengelige for tradisjonelle roboter” – selv inne i menneskekroppen. Noen myke roboter har programmerbare “huder” som endrer fasthet eller farge for å blande seg inn eller gripe objekter. Ingeniører utforsker også origami/kirigami-teknikker, form-minnepolymere og andre triks for at disse robotene kan omkonfigurere på fly.

Utforming av fleksibel bevegelse

Å lage en myk robot bevege seg som et dyr kommer med store utfordringer. Uten harde ledd eller motorer, må designerne stole på materialegenskaper og smart geometri. For eksempel måtte Georgia Techs hoppere inkludere en karbonfiber-ryggrad inne i den gummiaktige kroppen for å gjøre spring-aksjonen kraftig nok. Integrering av sensorer og kontrollsystemer er også vanskelig. Som Penn State-ingeniører påpeker, er tradisjonell elektronikk stiv og ville fryse en myk robot på plass.

For å gjøre deres lille krypende redningsrobot “smart”, måtte de spre fleksible kretser forsiktighet over kroppen så den kunne fortsatt bøye seg. Å finne energikilder er også vanskeligere: noen myke roboter bruker eksterne magnetfelt eller trykkluft fordi å bære en tung batteri ville veie dem ned.

Nematode-inspirerte myke roboter fra Georgia Tech (Foto: Candler Hobbs)

En annen hindring er å utnytte riktig fysikk. Nematode-robot-teamet lærte at kinker faktisk hjelper. I en normal gummi-slange stopper en kink strømmen raskt; men i en myk orme bygger den opp indre trykk, og tillater mye mer bøying før den slipper løs. Ved å eksperimentere med simuleringer og selv vann-fylte ballong-modeller, viste forskerne at deres fleksible kropp kunne holde mye elastisk energi når den bøyes, og så slippe den løs i ett raskt hopp. Resultatet er bemerkelsesverdig: fra ro kan roboten hoppe 3 meter høyt, gjentakende, bare ved å bøye ryggraden. Disse gjennombruddene – å finne måter å lagre og slippe energi i gummiaktige materialer – er typiske for myk robotikk-ingeniørarbeid.

Virkelige hoppere og hjelpere

Hva er alle disse myke robotene gode for? I prinsippet kan de takle situasjoner som er for farlige eller ubehagelige for stive maskiner. I katastrofe-soner, for eksempel, kan myke roboter krype under ruiner eller inn i kollapsede bygninger for å finne overlevende. Penn State viste en prototype magnetisk kontrollert myk kryper som kunne navigere gjennom trangt skrot eller sogar bevege seg gjennom blodåre-størrelse kanaler.

I medisin kan mikroskopiske myke roboter levere medisiner direkte i kroppen. I en MIT-studie ble en trådtynn myk robot forestilt å flyte gjennom arterier og fjerne blodpropp, potensielt behandling av slag uten åpne kirurgi. Harvard-forskere arbeider også med myke bærbare eksoskjelett – en lettvekt, oppblåsbar sleeve som hjalp ALS-pasienter å løfte en skulder, og umiddelbart forbedret deres bevegelsesområde.

Romorganisasjoner ser også på myke hoppere. Hjul kan bli stukket i sand eller stein, men en hopper-robot kunne hoppe over kratere og duner. NASA forestiller seg også nye hoppere for månen og is-måner. I ett konsept, en soccer-ball-størrelse robot kalt SPARROW ville bruke damp-jetter (fra kokt is) til å hoppe mange mil over Europa eller Enceladus. I den lave tyngdekraften på disse månene, går et lite hopp veldig langt – forskere påpeker at en robots en meter hopp på jorden kunne bære det hundred meter på Enceladus. Ideen er at dusinvis av disse hopperne kunne sværme over fremmed terreng “med full frihet til å reise” hvor hjul-rovers ville stoppe. Tilbake på jorden, fremtidige myke hoppere kunne hjelpe i søk- og redningsoppdrag ved å hoppe over elver, myr eller ustabil grunn som ville stoppe konvensjonelle roboter.

Myke roboter finner også arbeid i industri og landbruk. NSF påpeker at de kunne bli trygge hjelpere på fabrikkgulvet eller på gårdene, fordi de samarbeider hvis et menneske er i veien. Forskere har sogar bygget myke grippere som forsiktig plukker ømtålig frukt uten å skade den. Fleksibiliteten til myke maskiner betyr at de kan fungere på steder som er for små eller fleksible for stive enheter.

Til slutt mener eksperter at myk robotikk vil fundamentalt endre mange felt. Fra ormer til bærbare drakter til måne-hoppere, viser denne forskningstråden hvordan studier av små skapninger kan gi store sprang i teknologi.