Roboty miękkie, węże i skoczkowie: małe stworzenia inspirują wielkie skoki

Naukowcy z Georgia Tech niedawno przedstawili imponujące osiągnięcie: 13-centymetrowy robot miękkiego ciała, który może wystrzelić się na wysokość 3 metrów – wysokość kosza do koszykówki – bez żadnych nóg. Projekt został zainspirowany przez skromnego nicienia, małego robaka okrągłego cieńszego niż ludzkie włosy, który może skakać wielokrotnie swoją długość.

Zwijając swoje ciało w ciasne fałdy, robak magazynuje energię sprężystą, a następnie nagle ją uwalnia, wyrzucając się w górę lub do tyłu jak akrobata gimnastyka. Inżynierowie naśladowali ten ruch. Ich „SoftJM” robot jest podstawowo giętką rurką silikonową z sztywnym węzłem węglowym. W zależności od tego, jak się zgina, może skakać do przodu lub do tyłu – nawet jeśli nie ma kół ani nóg.

W działaniu, nicieniowy robot zwija się jak osoba schylająca się, a następnie gwałtownie rozprostowuje się, by skakać. Kamery o wysokiej prędkości pokazują, jak robak wygina głowę do góry i fałduje w środku ciała, by skakać do tyłu, a następnie prostuje i fałduje na ogonie, by skakać do przodu.

Zespół z Georgia Tech odkrył, że te ciasne fałdy – zwykle problem w węży lub przewodach – tak naprawdę pozwalają robakowi i robotowi magazynować znacznie więcej energii. Jak zauważył jeden z badaczy, zfałdowane słomki lub węże są bezużyteczne, ale zfałdowany robak działa jak naładowana sprężyna. W laboratorium, miękki robot odtworzył ten trick: „zgniata” środek lub ogon, napina się i następnie uwalnia w wybuchu (około jednej dziesiątej milisekundy), by wzlecieć w powietrze.

Roboty miękkie w górę

Robotyka miękka to młoda, ale szybko rozwijająca się dziedzina, która często czerpie inspirację z natury. W przeciwieństwie do sztywnych metalowych maszyn, roboty miękkie są wykonane z giętkich materiałów, które mogą ścieśniać się, rozciągać i dostosowywać do otoczenia. Wczesne kamienie milowe w tej dziedzinie obejmują Octobota z Harvardu – autonomicznego robota wykonanego całkowicie z silikonu i kanałów płynnych, bez sztywnych części, zainspirowanego mięśniami ośmiornicy. Od tego czasu inżynierowie zbudowali menażerię miękkich maszyn: od robakopodobnych pełzaków i żelatynowych chwytaków po noszone „egzoszkielety” i rolkowe, winopodobne roboty.

Na przykład, naukowcy z Yale stworzyli żółwia inspirowanego robota miękkiego, którego nogi przełączają się między miękkimi płetwami a sztywnymi „nogami lądowymi” w zależności od tego, czy pływa, czy chodzi. Na UCSB, naukowcy zbudowali robota winopodobnego, który rośnie w kierunku światła za pomocą tylko światłoczułej „skóry” – dosłownie rozciąga się przez wąskie przestrzenie jak łodyga rośliny. Te i inne innowacje bio-inspirowane pokazują, jak miękkie materiały mogą tworzyć nowe tryby ruchu.

Ogólnie, zwolennicy twierdzą, że roboty miękkie mogą iść tam, gdzie tradycyjne roboty nie mogą. Narodowa Fundacja Nauki zauważa, że adaptacyjne miękkie maszyny „badają przestrzenie wcześniej niedostępne dla tradycyjnych robotów” – nawet wewnątrz ludzkiego ciała. Niektóre roboty miękkie mają programowalne „skóry”, które zmieniają sztywność lub kolor, aby się wtopić lub chwycić obiekty. Inżynierowie również badają techniki origami/kirigami, polimery ze pamięcią kształtu i inne sztuczki, aby te roboty mogły przebudowywać się w locie.

Inżynieria giętkiego ruchu

Stworzenie robota miękkiego, który porusza się jak zwierzę, wiąże się z dużymi wyzwaniami. Bez twardych stawów lub silników, projektanci muszą polegać na właściwościach materiałów i sprytnym projekcie. Na przykład, skoczek z Georgia Tech musiał zawierać węglowy kręgosłup wewnątrz swojego gumowego ciała, aby uczynić sprężyste działanie wystarczająco silnym. Integracja czujników i systemów sterowania jest również trudna. Jak naukowcy z Penn State zauważają, tradycyjna elektronika jest sztywna i zamarzłaby robota miękkiego na miejscu.

Aby uczynić ich małego robota ratunkowego „inteligentnym”, musieli rozłożyć giętkie obwody na całym ciele, aby mógł on nadal się giąć. Nawet znalezienie źródeł energii jest trudniejsze: niektóre roboty miękkie używają zewnętrznych pól magnetycznych lub sprężonego powietrza, ponieważ noszenie ciężkiej baterii obciążyłoby je.

Nicieniowe roboty miękkie z Georgia Tech (Zdjęcie: Candler Hobbs)

Inną przeszkodą jest wykorzystanie odpowiedniej fizyki. Zespół nicieni-robota dowiedział się, że fałdy naprawdę pomagają. W normalnej rurce gumowej fałda szybko zatrzymuje przepływ; ale w miękkim robaku fałda powoli buduje wewnętrzne ciśnienie, pozwalając na znacznie więcej gięcia przed uwolnieniem. Eksperymentując z symulacjami i nawet wodnymi modelami balonów, naukowcy udowodnili, że ich giętkie ciało może magazynować dużo energii sprężystej, gdy jest zgięte, a następnie uwolnić ją w jednym szybkim skoku. Rezultat jest zdumiewający: z postoju robot może skakać 3 metry w górę, wielokrotnie, po prostu giąjąc swój kręgosłup. Te przełomy – znajdowanie sposobów na magazynowanie i uwolnienie energii w gumowych materiałach – są typowe dla inżynierii robotyki miękkiej.

Rzeczywiste skoczki i pomocnicy

Do czego są wszystkie te roboty miękkie dobre? W zasadzie mogą one radzić sobie z sytuacjami, które są zbyt niebezpieczne lub niewygodne dla sztywnych maszyn. Na przykład, w strefach klęsk żywiołowych, roboty miękkie mogą przecisnąć się pod gruzem lub do zawalonych budynków, aby znaleźć ocalałych. Zespół z Penn State pokazał prototyp magnetycznie sterowanego robota miękkiego, który mógł nawigować przez wąskie rumowiska lub nawet poruszać się przez kanały wielkości naczyń krwionośnych.

W medycynie, mikroskopijne roboty miękkie mogą dostarczać leki bezpośrednio do organizmu. W jednym badaniu MIT, cienki robot miękki został wyobrażony, aby płynąć przez tętnice i oczyścić skrzepy, potencjalnie lecząc udary bez otwartej operacji. Naukowcy z Harvardu pracują również nad miękkimi noszonymi egzoszkieletami – lekką, nadmuchaną mankietą, która pomogła pacjentom z ALS podnieść ramię, natychmiast poprawiając ich zakres ruchu.

Agencje kosmiczne również zwracają uwagę na skoczki miękkie. Koła mogą utknąć w piasku lub na kamieniach, ale skaczący robot mógłby przeskoczyć krater i wydmy. NASA wyobraża sobie nawet nowe skoczki dla Księżyca i lodowych księżyców. W jednym konceptie, piłką nożną wielkości robot o nazwie SPARROW mógłby używać parowych strumieni (z gotowanego lodu), aby skakać setki kilometrów po Europie lub Enceladusie. W niskiej grawitacji tych księżyców, mały skok może sięgać bardzo daleko – naukowcy zauważają, że skok robota o jeden metr na Ziemi mógłby przenieść go setki metrów na Enceladusie. Pomysł polega na tym, że dziesiątki tych skoczków mogą rozprzestrzenić się po obcym terenie „z pełną swobodą podróżowania”, gdzie kołowe robota byliby sparaliżowani. Z powrotem na Ziemi, przyszłe skoczki miękkie mogą pomóc w misjach poszukiwawczo-ratunkowych, skacząc przez rzeki, błoto lub niestabilne grunty, które zatrzymałyby konwencjonalne roboty.

Roboty miękkie również znajdują pracę w przemyśle i rolnictwie. NSF zauważa, że mogą one stać się bezpiecznymi pomocnikami na podłogach fabrycznych lub na farmach, ponieważ ustępują, gdy człowiek jest na drodze. Naukowcy zbudowali nawet miękkie chwytaki, które delikatnie chwytają delikatne owoce bez ich obtłucania. Giętkość miękkich maszyn oznacza, że mogą one działać w miejscach, które są zbyt małe lub giętkie dla sztywnych urządzeń.

W końcu, eksperci uważają, że robotyka miękka zmieni fundamentalnie wiele dziedzin. Od robaków po noszone kostiumy po skoczki księżycowe, ten wątek badawczy pokazuje, jak studium małych stworzeń może prowadzić do wielkich skoków w technologii.