Robaki, sprężyny i miękkie roboty: maleńkie stworzenia inspirują do wielkich skoków

Naukowcy z Georgia Tech niedawno zaprezentował imponujące osiągnięcie: 5-calowy miękki robot, który może katapultować się na wysokość 10 stóp w powietrze – wysokość kosza do koszykówki – bez nóg. Projekt został zainspirowany skromnym nicieniem, maleńkim glisty cieńszym od ludzkiego włosa, który może skakać na odległość wielokrotnie większą niż długość jego ciała. 

Zaciskając ciało w ciasne zagięcia, robak gromadzi energię sprężystą, a następnie nagle ją uwalnia, rzucając się w niebo lub do tyłu jak akrobata gimnastyczny. Inżynierowie naśladowali ten ruch. Ich robot „SoftJM” jest zasadniczo elastycznym prętem silikonowym ze sztywnym kręgosłupem z włókna węglowego. W zależności od tego, jak się wygina, może skakać do przodu lub do tyłu – mimo że nie ma kół ani nóg.

W akcji robot inspirowany nicieniami zwija się jak kucająca osoba, a następnie wybuchowo prostuje się, by skoczyć. Kamera szybkoobrotowa pokazuje, jak robak wygina głowę do góry i zagina się w środku ciała, by skoczyć do tyłu, a następnie prostuje się i zagina ogon, by skoczyć do przodu. 

Zespół Georgia Tech odkrył, że te ciasne zagięcia – zwykle stanowiące problem w przypadku węży lub kabli – w rzeczywistości pozwalają robakowi i robotowi gromadzić znacznie więcej energii. Jak zauważył jeden z badaczy, poskręcane słomki lub węże są bezużyteczne, ale poskręcany robak działa jak obciążona sprężyna. W laboratorium miękki robot reprodukowane tę sztuczkę: „szczypie” środek lub ogon, napina się, a następnie rozluźnia w eksplozji (około jednej dziesiątej milisekundy), aby wzbić się w powietrze.

Miękkie roboty w natarciu

Miękka robotyka to młoda, ale szybko rozwijająca się dziedzina, która często czerpie inspirację z natury. W przeciwieństwie do sztywnych maszyn metalowych, miękkie roboty są wykonane z elastycznych materiałów, które mogą ściskać, rozciągać się i dostosowywać do otoczenia. Wczesne kamienie milowe w tej dziedzinie obejmują Octobot Harvardu – autonomiczny robot wykonany w całości z silikonu i kanałów płynnych, bez żadnych sztywnych części, inspirowany mięśniami ośmiornicy. Od tego czasu inżynierowie zbudowali menażerię miękkich maszyn: od robakowatych gąsienic i żelowanych chwytaków po noszone „egzoszkielety” i toczące się, przypominające winorośl roboty. 

Na przykład naukowcy z Yale stworzyli miękkiego robota inspirowanego żółwiem, którego nogi zmieniają się z miękkich płetw na twarde „nogi lądowe” w zależności od tego, czy pływa, czy chodzi. Na UCSB naukowcy stworzyli przypominającego winorośl robota, który rośnie w kierunku światła, wykorzystując jedynie światłoczułą „skórę” – dosłownie rozciąga się przez wąskie przestrzenie jak łodyga rośliny. Te i inne inspirowane biologią innowacje pokazują, jak miękkie materiały mogą tworzyć nowe tryby ruchu.

Ogólnie rzecz biorąc, zwolennicy twierdzą, że miękkie roboty mogą dotrzeć tam, gdzie tradycyjne roboty nie mogą. Notatki Narodowej Fundacji Nauki USA że adaptacyjne miękkie maszyny „eksplorują przestrzenie, do których tradycyjne roboty wcześniej nie miały dostępu” – nawet wewnątrz ludzkiego ciała. Niektóre miękkie roboty mają programowalne „skórki”, które zmieniają sztywność lub kolor, aby wtopić się w przedmioty lub je chwytać. Inżynierowie również badają techniki origami/kirigami, polimery z pamięcią kształtu i inne sztuczki, dzięki którym roboty mogą zmieniać konfigurację w locie.

Inżynieria elastycznego ruchu

Sprawienie, by miękki robot poruszał się jak zwierzę, wiąże się z dużymi wyzwaniami. Bez twardych stawów i silników projektanci muszą polegać na właściwościach materiałów i sprytnej geometrii. Na przykład skoczek Georgia Tech musiał mieć w swoim gumowym korpusie kręgosłup z włókna węglowego, aby sprężyna była wystarczająco mocna. Integracja czujników i systemów sterowania jest również trudna. Ponieważ Inżynierowie z Penn State podkreślają, tradycyjna elektronika jest sztywna i zamroziłaby miękkiego robota w miejscu.

Aby ich maleńki, pełzający robot ratunkowy był „inteligentny”, musieli ostrożnie rozłożyć elastyczne obwody na ciele, aby nadal mógł się zginać. Nawet znalezienie źródeł energii jest trudniejsze: niektóre miękkie roboty wykorzystują zewnętrzne pola magnetyczne lub sprężone powietrze, ponieważ noszenie ciężkiej baterii obciążałoby je.

Miękkie roboty inspirowane nicieniami z Georgia Tech (zdjęcie: Candler Hobbs)

Kolejną przeszkodą jest wykorzystanie właściwej fizyki. Zespół nicieni-robotów dowiedział się, że zagięcia faktycznie pomagają. W normalnej gumowej rurce zagięcie szybko zatrzymuje przepływ; ale w miękkim robaku powoli buduje ciśnienie wewnętrzne, umożliwiając znacznie większe wygięcie przed uwolnieniem. Eksperymentując z symulacjami, a nawet modelami balonów wypełnionych wodą, naukowcy wykazali, że ich elastyczne ciało może gromadzić dużo energii sprężystej, gdy jest zgięte, a następnie uwalniać ją jednym szybkim skokiem. Wynik jest niezwykły: w stanie spoczynku robot może skakać na wysokość 10 stóp, powtarzalnie, po prostu zginając kręgosłup. Te przełomy – znalezienie sposobów na sklep oraz zwolnić energia w materiałach gumowych – są typowe dla inżynierii miękkiej robotyki.

Prawdziwi skoczkowie i pomocnicy

Do czego nadają się wszystkie te miękkie roboty? Zasadniczo mogą one radzić sobie z sytuacjami zbyt niebezpiecznymi lub niezręcznymi dla sztywnych maszyn. Na przykład w strefach katastrof miękkie roboty mogą wić się pod gruzami lub w zawalonych budynkach, aby znaleźć ocalałych. Penn State pokazał prototyp magnetycznie sterowanego miękkiego robota, który mógł poruszać się po ciasnych gruzach, a nawet poruszać się przez kanały wielkości naczyń krwionośnych.

W medycynie mikroskopijne miękkie roboty mogłyby dostarczać leki bezpośrednio do organizmu. W jednym badaniu MIT, cienki jak nitka miękki robot miał unosić się przez tętnice i usuwać skrzepy, potencjalnie lecząc udary bez otwartej operacji. Naukowcy z Harvardu pracują również nad miękkimi, przenośnymi egzoszkieletami – lekkim, nadmuchiwanym rękawem, który pomagał pacjentom z ALS unosić ramię, natychmiast poprawiając zakres ich ruchu.

Agencje kosmiczne również przyglądają się miękkim skoczkom. Koła mogą utknąć w piasku lub skałach, ale skaczący robot mógłby przeskakiwać kratery i wydmy. NASA wyobraża sobie nawet nowe skoczki na Księżyc i lodowe księżyce. W jednej z koncepcji, bot wielkości piłki nożnej o nazwie WRÓBEL używałby strumieni pary (z gotowanego lodu) do przeskakiwania wielu mil przez Europę lub Enceladusa. W niskiej grawitacji tych księżyców, mały skok ma ogromne znaczenie – naukowcy zauważają, że metrowy skok robota na Ziemi mógłby go przenieść na sto metrów na Enceladusie. Pomysł polega na tym, że dziesiątki takich skoczków mogłyby roić się po obcym terenie „z całkowitą swobodą podróżowania”, gdzie kołowe łaziki by się zatrzymywały. Z powrotem na Ziemi, przyszłe miękkie skoczki mogłyby pomagać w misjach poszukiwawczo-ratunkowych, przeskakując rzeki, błoto lub niestabilne podłoże, które zatrzymałoby konwencjonalne roboty.

Miękkie roboty znajdują również pracę w przemyśle i rolnictwie. NSF wskazuje, że mogłyby stać się bezpiecznymi pomocnikami na halach fabrycznych lub w gospodarstwach rolnych, ponieważ są zgodne, jeśli człowiek stanie na drodze. Naukowcy zbudowali nawet miękkie chwytaki, które delikatnie zbierają delikatne owoce, nie powodując ich zgniecenia. Elastyczność miękkich maszyn oznacza, że ​​mogą działać w miejscach zbyt małych lub zbyt elastycznych dla sztywnych urządzeń.

Ostatecznie eksperci uważają, że miękka robotyka zasadniczo zmieni wiele dziedzin. Od robaków po kombinezony do noszenia i skoczki księżycowe, ten wątek badawczy pokazuje, jak badanie małych stworzeń może przynieść duże skoki w technologii.