Maskar, fjädrar och mjuka robotar: Små varelser inspirerar till stora språng

Forskare vid Georgia Tech avslöjade nyligen en imponerande prestation: en 13 cm lång mjuk robot som kan kasta sig 3 meter upp i luften – höjden på en basketbollkorg – utan några ben. Designen inspirerades av den ringa nematoden, en liten rundmask som är tunnare än ett mänskligt hår och som kan hoppa många gånger sin egen kroppslängd.

Genom att krama ihop sin kropp i tighta veck, lagrar masken elastisk energi och släpper sedan plötsligt ut den, flängande sig uppåt eller bakåt som en akrobatisk gymnast. Ingenjörerna imiterade denna rörelse. Deras “SoftJM”-robot är i princip en flexibel silikonstav med en styv kolfiberryggrad. Beroende på hur den böjer sig, kan den hoppa framåt eller bakåt – även om den inte har några hjul eller ben.

I verkligheten rullar nematoden ihop sig likt en person som squatter, sedan explosivt rätar ut sig för att hoppa. En höghastighetskamera visar hur masken kröker sin huvud upp och veckar i mitten av sin kropp för att hoppa bakåt, sedan rätar ut och veckar i svansen för att hoppa framåt.

Georgia Tech-teamet fann att dessa tighta veck – vanligtvis ett problem i slangar eller kablar – faktiskt låter masken och roboten lagra mycket mer energi. Som en forskare noterade, är veckade sugrör eller slangar värdelösa, men en veckad mask fungerar som en laddad fjäder. I laboratoriet återgav den mjuka roboten denna knep: den “kramar” sin mitt eller svans, spänner upp och sedan släpper ut i en explosion (omkring en tiondel av en millisekund) för att sväva upp i luften.

Mjuka robotar på uppgång

Mjuk robotik är ett ungt men snabbt växande område som ofta tar ledtrådar från naturen. Till skillnad från rigida metallmaskiner är mjuka robotar tillverkade av flexibla material som kan kramas, sträckas och anpassas till sin omgivning. Tidiga milstolpar inom området inkluderar Harvards Octobot – en autonom robot tillverkad helt av silikon och fluidkanaler, utan några rigida delar, inspirerad av bläckfiskens muskler. Sedan dess har ingenjörer byggt en mängd mjuka maskiner: från mask-liknande krypare och gelé-liknande gripdon till bärbara “exo-dräkter” och rullande vin-liknande robotar.

Exempelvis skapade Yale-forskare en sköldpadd-inspirerad mjuk robot vars ben växlar mellan floppy flipper och fasta “landben” beroende på om den simmar eller går. På UCSB byggde forskare en vin-liknande robot som växer mot ljus med hjälp av endast ljuskänslig “hud” – den sträcker sig genom smala utrymmen som en planta. Dessa och andra bio-inspirerade innovationer visar hur mjuka material kan skapa nya rörelseformer.

Sammanfattningsvis menar anhängare att mjuka robotar kan gå till platser där traditionella robotar inte kan. U.S. National Science Foundation noterar att anpassningsbara mjuka maskiner “utforskar utrymmen som tidigare var otillgängliga för traditionella robotar” – till och med inuti den mänskliga kroppen. Vissa mjuka robotar har programmerbara “hudar” som ändrar styvhet eller färg för att smälta in eller gripa föremål. Ingenjörer undersöker också origami/kirigami-tekniker, formminnepolymerer och andra knep så att dessa robotar kan omkonfigurera på flyget.

Att konstruera flexibel rörelse

Att göra en mjuk robot röra sig som ett djur kommer med stora utmaningar. Utan hårda leder eller motorer måste konstruktörer förlita sig på materialegenskaper och smart geometri. Exempelvis behövde Georgia Techs hoppande robot innehålla en kolfiberryggrad inuti sin gummikropp för att göra fjäderaktionen tillräckligt kraftfull. Att integrera sensorer och styrsystem är också knepigt. Som Penn State-ingjörare påpekar, är traditionella elektronik styva och skulle frysa en mjuk robot på plats.

För att göra deras lilla krypande räddningsrobot “smart” var de tvungna att sprida flexibla kretsar försiktigt över kroppen så att den kunde fortfarande böjas. Att hitta energikällor är också svårare: vissa mjuka robotar använder externa magnetfält eller tryckluft eftersom att bära en tung batteri skulle väga ner dem.

De nematod-inspirerade mjuka robotarna från Georgia Tech (Foto: Candler Hobbs)

En annan utmaning är att utnyttja rätt fysik. Nematod-robotteamet lärde sig att veck faktiskt hjälper. I en vanlig gummislang stoppar en veck snabbt flödet; men i en mjuk mask byggs det inre trycket långsamt upp, vilket tillåter mycket mer böjning innan frigörandet. Genom att experimentera med simuleringar och till och med vattenfyllda ballongmodeller visade forskarna att deras flexibla kropp kunde hålla mycket elastisk energi när den böjdes, sedan frigjorde den i ett snabbt hopp. Resultatet är anmärkningsvärt: från vila kan roboten hoppa 3 meter högt, upprepat, genom att enkelt böja sin ryggrad. Dessa genombrott – att hitta sätt att lagra och frigöra energi i gummiliknande material – är typiska för mjuk robotik-konstruktion.

Verkliga hoppande hjälpmedel

Vad är alla dessa mjuka robotar bra för? I princip kan de hantera situationer som är för farliga eller besvärliga för rigida maskiner. I katastrofområden kan mjuka botar till exempel krypa under rasmassor eller in i kollapsade byggnader för att hitta överlevande. Penn State visade en prototyp av en magnetiskt styrd mjuk krypare som kunde navigera genom trånga rasmassor eller till och med röra sig genom blodkärls-stora kanaler.

Inom medicin kan mikroskopiska mjuka robotar leverera läkemedel direkt i kroppen. I en MIT-studie föreställdes en trådtunn mjuk robot som kunde flyta genom artärer och rensa proppar, potentiellt behandla stroke utan öppen kirurgi. Harvard-forskare arbetar också med mjuka bärbara exoskelett – en lättviktig uppblåsbart ärm som hjälpte ALS-patienter att lyfta en axel, omedelbart förbättrande deras rörelseomfång.

Rymdmyndigheter ser också på mjuka hoppande robotar. Hjul kan fastna i sand eller sten, men en hoppande robot kunde hoppa över kratrar och sanddyner. NASA föreställer sig till och med nya hoppande robotar för månen och isiga månar. I ett koncept kallat SPARROW skulle en fotbolls-stor robot använda ångstrålar (från kokt is) för att hoppa många mil över Europa eller Enceladus. I den låga gravitationen på dessa månar kan en liten hopp gå mycket långt – forskare noterar att en robots en meter långa hopp på jorden kunde bära den hundra meter på Enceladus. Idén är att dussintals av dessa hoppande robotar kunde svärma över främmande terräng “med fullständig frihet att resa” där hjulburna robotar skulle stanna. Tillbaka på jorden kunde framtida mjuka hoppande robotar hjälpa till i sök- och räddningsuppdrag genom att hoppa över floder, lera eller ostadig mark som skulle stoppa konventionella robotar.

Mjuka robotar hittar också arbete inom industri och jordbruk. NSF påpekar att de kunde bli säkra hjälpmedel på fabriksgolven eller på gårdar, eftersom de följer om en människa är i vägen. Forskare har till och med byggt mjuka gripdon som försiktigt plockar ömtåliga frukter utan att skada dem. Flexibiliteten hos mjuka maskiner betyder att de kan agera på platser som är för små eller flexibla för rigida enheter.

Till slut menar experter att mjuk robotik kommer att förändra många områden grundläggande. Från maskar till bärbara dräkter till lunara hoppande robotar visar denna forskningstråd hur studier av små varelser kan ge upphov till stora språng inom teknologi.