Fourmi, arcuri și roboți moi: creaturi mici inspiră salturi uriașe

Cercetătorii de la Georgia Tech au prezentat recent o realizare impresionantă: un robot moale de 13 cm lungime care poate să se catapulteze la 3 metri în aer – înălțimea unui coș de baschet – fără picioare. Proiectul a fost inspirat de nematodul umil, un vierme rotund mai subțire decât un fir de păr care poate să sară de mai multe ori lungimea corpului său.

Prin îndoirea corpului în încârligături strânse, viermele stochează energie elastică și apoi o eliberează brusc, aruncându-se în sus sau înapoi ca un gimnast acrobatic. Inginerii au imitat această mișcare. Robotul lor “SoftJM” este, în esență, o tijă flexibilă de siliciu cu o spinare rigidă din fibră de carbon. În funcție de modul în care se îndoaie, poate să sară înainte sau înapoi – chiar dacă nu are roți sau picioare.

În acțiune, robotul inspirat de nematod se strânge mult ca o persoană care se apleacă, apoi se desface exploziv pentru a sări. O cameră cu filmare rapidă arată cum viermele își curbează capul în sus și se încârligează în mijlocul corpului pentru a sări înapoi, apoi se drege și se încârligează la coadă pentru a sări înainte.

Echipa de la Georgia Tech a constatat că aceste încârligături strânse – care, de obicei, sunt un problemă în furtunuri sau cabluri – permit, de fapt, viermelui și robotului să stocheze multă energie. Așa cum a remarcat un cercetător, furtunurile sau tuburile încârligate sunt inutile, dar un vierme încârligat acționează ca un arc încărcat. În laborator, robotul moale a reprodus această truc: “strânge” mijlocul sau coada, se încordează și apoi se eliberează într-o explozie (de aproximativ o zecime de milisecundă) pentru a sări în aer.

Roboți moi pe ascensiune

Robotică moale este un domeniu tânăr, dar în creștere rapidă, care adesea ia inspirație din natură. În contrast cu mașinile rigide din metal, roboții moi sunt făcuți din materiale flexibile care pot fi strânse, întinse și adaptate la mediul înconjurător. Primele realizări în domeniu includ Octobotul de la Harvard – un robot autonom făcut în întregime din siliciu și canale cu lichid, fără părți rigide, inspirat de mușchii de caracatiță. De atunci, inginerii au construit o mulțime de mașini moi: de la târâtoare asemănătoare cu viermii și gheare gelatinoase la “costume exo” și roboți asemănători cu vița de vie care se rostogolesc.

De exemplu, cercetătorii de la Yale au creat un robot moale inspirat de broască țestoasă, ale cărui picioare se schimbă între labe moi și “picioare de uscat” ferme, în funcție de faptul că înoată sau merge. La UCSB, oamenii de știință au făcut un robot asemănător cu o viță de vie care crește spre lumină, folosind doar “piele” sensibilă la lumină – se prelungește literalmente prin spații înguste, ca un tulpină de plantă. Aceste și alte inovații inspirate de biologie arată cum materialele moi pot crea moduri noi de mișcare.

În general, susținătorii spun că roboții moi pot merge în locuri în care roboții tradiționali nu pot. Fundamentația Națională pentru Știință a SUA notează că mașinile moi adaptive “exploră spații anterior inaccesibile roboților tradiționali” – chiar și în interiorul corpului uman. Unii roboți moi au “piele” programabile care se schimbă în funcție de rigiditate sau culoare pentru a se amesteca sau a prinde obiecte. Inginerii explorează, de asemenea, tehnici de origami/kirigami, polimeri cu memorie de formă și alte trucuri, astfel încât acești roboți să se poată reconfigura pe loc.

Proiectarea mișcării flexibile

A face un robot moale să se miște ca un animal vine cu provocări mari. Fără articulații rigide sau motoare, proiectanții trebuie să se bazeze pe proprietățile materialelor și pe geometrie ingenioasă. De exemplu, săritorul de la Georgia Tech a trebuit să includă o spinare din fibră de carbon în interiorul corpului său de cauciuc pentru a face acțiunea de arc puternică. Integrarea senzorilor și a sistemelor de control este, de asemenea, dificilă. Așa cum inginerii de la Penn State subliniază, electronica tradițională este rigidă și ar îngheța un robot moale pe loc.

Pentru a face robotul lor mic de salvare “inteligent”, au trebuit să împrăștie circuite flexibile pe corp, astfel încât să poată încă să se îndoaie. Chiar și găsirea surselor de energie este mai grea: unii roboți moi folosesc câmpuri magnetice externe sau aer comprimat, deoarece transportul unei baterii grele i-ar încetini.

Roboții moi inspirați de nematod de la Georgia Tech (Foto: Candler Hobbs)

O altă piedică este exploatarea fizicii potrivite. Echipa nematod-robot a învățat că încârligăturile ajută, de fapt. Într-un tub de cauciuc normal, o încârligătură oprește curgerea rapid; dar într-un vierme moale, ea construiește presiune internă lent, permițând multă îndoire înainte de a se elibera. Prin experimentarea cu simulări și chiar cu modele de baloane umplute cu apă, cercetătorii au demonstrat că corpul lor flexibil poate stoca multă energie elastică atunci când este îndoit, apoi o poate elibera într-un singur salt rapid. Rezultatul este remarcabil: de la repaus, robotul poate sări la 3 metri înălțime, repetat, prin simpla îndoire a spinării sale. Aceste progrese – găsirea de modalități de a stoca și de a elibera energie în materiale cauciucate – sunt tipice pentru ingineria roboților moi.

Săritori și ajutoare din lumea reală

La ce sunt buni toți acești roboți moi? În principiu, ei pot aborda situații prea periculoase sau neconvenabile pentru mașinile rigide. În zonele afectate de dezastre, de exemplu, roboții moi pot să se târască sub dărâmături sau în clădiri prăbușite pentru a găsi supraviețuitori. Echipa de la Penn State a prezentat un prototip de robot moale controlat magnetic care poate naviga prin resturi înguste sau chiar prin canale de dimensiunea vaselor de sânge.

În medicină, roboții moi microscopici pot livra medicamente direct în corp. Într-un studiu de la MIT, s-a imaginat un robot moale subțire ca un fir care să plutească prin artere și să curețe cheaguri, potențial tratând accidente vasculare cerebrale fără intervenție chirurgicală deschisă. Oamenii de știință de la Harvard lucrează, de asemenea, la exoschelete moi purtabile – o manșetă ușoară inflabilă care a ajutat pacienții cu ALS să-și ridice umărul, îmbunătățind imediat mobilitatea.

Agențiile spațiale sunt, de asemenea, interesate de săritori moi. Roțile pot rămâne blocate în nisip sau pietre, dar un robot săritor poate sări peste cratere și dune. NASA imaginează chiar săritori noi pentru Lună și sateliții înghețați. Într-un concept, un robot de dimensiunea unui balon de fotbal numit SPARROW ar folosi jeturi de aburi (din gheață fiartă) pentru a sări zeci de kilometri pe Europa sau Enceladus. În gravitația scăzută a acestor sateliți, un salt mic poate duce foarte departe – oamenii de știință notează că un salt de un metru al unui robot pe Pământ ar putea duce la 100 de metri pe Enceladus. Ideea este că zeci de astfel de săritori pot traversa terenul extraterestru “cu libertate deplină de a călători” acolo unde roboții cu roți ar fi blocate. Înapoi pe Pământ, săritorii moi viitori ar putea ajuta la misiunile de căutare și salvare, sărind peste râuri, noroi sau teren instabil care ar opri roboții convenționali.

Roboții moi găsesc, de asemenea, utilizări în industrie și agricultură. Fundamentația Națională pentru Știință subliniază că ar putea deveni ajutoare sigure pe pardoselile fabricilor sau pe ferme, deoarece se conformează dacă un om este în cale. Cercetătorii au construit chiar și gheare moi care pot culege fructe delicate fără a le strica. Flexibilitatea mașinilor moi înseamnă că pot acționa în locuri prea mici sau flexibile pentru dispozitivele rigide.

În cele din urmă, experții cred că robotică moale va schimba fundamental multe domenii. De la viermi la costume purtabile și până la săritori lunari, această direcție de cercetare arată cum studiul creaturilor mici poate duce la salturi mari în tehnologie.