Robaki, sprężyny i miękkie roboty: małe stworzenia inspirują wielkie skoki

Naukowcy z Georgia Tech niedawno ogłosili imponujące osiągnięcie: 13-centymetrowy miękki robot, który może wystrzelić się na wysokość 3 metrów – wysokość kosza do koszykówki – bez żadnych nóg. Projekt został zainspirowany skromnym nicieniem, cienkim robakiem, który może skakać wielokrotnie swoją długość.

Przez zaciskanie ciała w ciasne fałdy, robak gromadzi energię sprężystą, a następnie nagle ją uwalnia, wyrzucając się w górę lub do tyłu jak akrobata. Inżynierowie naśladowali ten ruch. Ich „SoftJM” robot jest podstawowo giętką rurką silikonową z sztywną ośią węglową. W zależności od tego, jak się zgina, może skakać do przodu lub do tyłu – nawet jeśli nie ma kół czy nóg.

W działaniu, nicieniowy robot zwija się jak osoba kucnąca, a następnie gwałtownie rozprostowuje się, aby skakać. Kamery wysokiej rozdzielczości pokazują, jak robak wygina głowę do góry i fałduje w środku ciała, aby skakać do tyłu, a następnie prostuje i fałduje ogon, aby skakać do przodu.

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

https://www.youtube.com/watch?v=j7FlI0atGAc

Miękkie roboty w górę

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

Na przykład, badacze z Yale stworzyli miękkiego robota zainspirowanego żółwiem, którego nogi przełączają się między miękkimi płetwami a twardymi „nogami lądowymi” w zależności od tego, czy pływa, czy chodzi. Na UCSB, naukowcy stworzyli robota winoroślowatego, 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 sposoby ruchu.

https://www.youtube.com/watch?v=uhEnmVUxAPs

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

Inżynieria giętkiego ruchu

Zrobienie miękkiego robota, aby poruszał się jak zwierzę, jest dużym wyzwaniem. Bez twardych stawów czy silników, projektanci muszą polegać na właściwościach materiałów i sprytnym projekcie. Na przykład, skaczący robot z Georgia Tech musiał zawierać węglową oś wewnątrz gumowego ciała, aby uczynić sprężyste działanie wystarczająco silnym. Integracja czujników i systemów sterowania jest również trudna. Jak zauważają inżynierowie z Penn State, tradycyjna elektronika jest sztywna i zamarzłaby miękkiego robota na miejscu.

Aby zrobić ich małego robota ratunkowego „inteligentnym”, musieli rozłożyć giętkie obwody starannie po całym ciele, aby mogło ono nadal giąć. Nawet znalezienie źródeł energii jest trudniejsze: niektóre miękkie roboty używają zewnętrznych pól magnetycznych lub sprężonego powietrza, ponieważ przenoszenie ciężkiej baterii byłoby zbyt ciężkie.

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

Inną przeszkodą jest wykorzystanie odpowiedniej fizyki. Zespół nicieniowo-roboczy dowiedział się, że fałdy naprawdę pomagają. W normalnej gumowej rurce fałda szybko zatrzymuje przepływ; ale w miękkim robaku powoli buduje wewnętrzne ciśnienie, pozwalając na znacznie więcej zginania przed uwolnieniem. Eksperymentując z symulacjami i nawet modelami wypełnionymi wodą, badacze pokazali, że ich giętkie ciało może utrzymać dużo energii sprężystej, gdy jest zgięte, a następnie uwolnić ją w jednym szybkim skoku. Rezultat jest zdumiewający: z pozycji spoczynkowej robot może skakać 3 metry wysoko, wielokrotnie, po prostu giąjąc swój kręgosłup. Te przełomy – znalezienie sposobów przechowywania i uwolnienia energii w gumowych materiałach – są typowe dla inżynierii miękkich robotów.

Rzeczywiste skoczki i pomocnicy

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

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

Agencje kosmiczne również zwracają uwagę na miękkie skoczki. Koła mogą utknąć w piasku lub na kamieniach, ale skaczący robot mógłby przeskakiwać krater i wydmy. NASA wyobraża sobie nawet nowe skoczki na Księżyc i lodowe księżyce. W jednym konceptie, piłką nożną wielkości robot o nazwie SPARROW mógłby używać parowych strumieni (z wrzącej wody) do skakania przez setki metrów na Europie lub Enceladusie. W niskiej grawitacji tych księżyców, mały skok idzie bardzo daleko – naukowcy zauważają, że skok robota o jeden metr na Ziemi mógłby przenieść go setki metrów na Enceladusie. Pomysł jest taki, że dziesiątki tych skoczków mogą rozprzestrzenić się po obcym terenie „z całkowitą swobodą poruszania się”, gdzie kołowe rovery by się zatrzymały. Z powrotem na Ziemi, przyszłe miękkie skoczki mogą pomóc w misjach poszukiwawczo-ratunkowych, skacząc przez rzeki, błoto lub niestabilne podłoże, które zatrzymałoby konwencjonalne roboty.

https://www.youtube.com/watch?v=nkimUw3GqLQ

Miękkie roboty również znajdują zastosowanie w przemyśle i rolnictwie. Narodowa Fundacja Nauki zauważa, że mogą one stać się bezpiecznymi pomocnikami na podłogach fabrycznych lub na farmach, ponieważ dostosowują się, jeśli człowiek jest na drodze. Badacze 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.

Ostatecznie, eksperci wierzą, że miękkie roboty zmienią fundamentalnie wiele dziedzin. Od robaków po noszone kostiumy po księżycowe skoczki, ta wątek badań pokazuje, jak studium małych stworzeń może prowadzić do wielkich skoków w technologii.