แมลง สปริง และหุ่นยนต์แบบอ่อน: สิ่งมีชีวิตขนาดเล็กสร้างความก้าวหน้าแบบยักษ์

นักวิจัยที่ Georgia Tech ได้ เปิดเผยความสำเร็จที่น่าประทับใจ: หุ่นยนต์แบบอ่อนขนาด 5 นิ้วที่สามารถยิงตัวเองขึ้นสูง 10 ฟุตในอากาศ – สูงเท่ากับห่วงบาสเก็ตบอล – โดยไม่มีขาย นักออกแบบได้รับแรงบันดาลใจจากหนอนนีมาโทดที่อ่อนแอ ซึ่งเป็นหนอนกลมที่บางกว่าเส้นผมของมนุษย์ที่สามารถกระโดดได้หลายครั้งเท่ากับความยาวของร่างกาย

โดยการบีบตัวของมันให้เข้าไปในกิ้งกือที่แน่นหนา หนอนจะเก็บพลังงานยืดหยุ่นและปล่อยมันออกมาอย่างรวดเร็ว ทำให้หนอนกระโดดขึ้นสูงหรือย้อนกลับเหมือนนักกายกรรม วิศวกรได้เลียนแบบการเคลื่อนไหวนี้ หุ่นยนต์ “SoftJM” ของพวกเขาสามารถยืดหยุ่นได้โดยพื้นฐานเป็นแท่งซิลิโคนยืดหยุ่นที่มีกระดูกสันหลังที่ทำจากเส้นใยคาร์บอน ขึ้นอยู่กับว่ามันจะงอได้มากน้อยเพียงใด มันสามารถกระโดดไปข้างหน้าหรือย้อนกลับ – แม้ว่าจะไม่มีล้อหรือขาย

เมื่อกระทำการ หนอนและหุ่นยนต์แบบอ่อนจะงอเหมือนกับคนก้มหัวเข่า แล้วก็ยืดตัวขึ้นอย่างรวดเร็วเพื่อกระโดด กล้องความเร็วสูงแสดงให้เห็นว่าหนอนจะงอศีรษะขึ้นและงอตรงกลางของร่างกายเพื่อกระโดดย้อนกลับ แล้วก็ยืดตรงและงอที่หางเพื่อกระโดดไปข้างหน้า

ทีมงานจาก Georgia Tech พบว่าการงอแน่นนี้ – ปกติเป็นปัญหาในหลอดหรือสายเคเบิล – ทำให้หนอนและหุ่นยนต์สามารถเก็บพลังงานได้มากขึ้น ตามที่นักวิจัยคนหนึ่งกล่าวไว้ว่า สตรอว์ที่งอหรือหลอดที่งอเป็นสิ่งที่ไร้ประโยชน์ แต่หนอนที่งอจะทำงานเหมือนสปริงที่ถูกโหลด ในห้องปฏิบัติการ หุ่นยนต์แบบอ่อน ทำซ้ำเคล็ดลับนี้: มัน “บีบ”ตรงกลางหรือหาง ตึงขึ้น และจากนั้นปล่อยออกมาอย่างรวดเร็ว (ประมาณหนึ่งในสิบของมิลลิวินาที) เพื่อเหาะขึ้นสู่อากาศ

หุ่นยนต์แบบอ่อนกำลังเติบโต

หุ่นยนต์แบบอ่อนเป็นสาขาที่ยังใหม่แต่เติบโตอย่างรวดเร็ว ซึ่งมักจะรับคำแนะนำจากธรรมชาติ ไม่เหมือนกับเครื่องจักรโลหะที่แข็ง หุ่นยนต์แบบอ่อนทำจากวัสดุยืดหยุ่นที่สามารถบีบอัด ยืดและปรับให้เข้ากับสภาพแวดล้อมได้ มีหลักฐานสำคัญในด้านนี้ เช่น Octobot ของ Harvard – หุ่นยนต์อัตโนมัติที่ทำจากซิลิโคนและช่องทางของของเหลวโดยไม่มีส่วนประกอบที่แข็ง ซึ่งได้รับแรงบันดาลใจจากกล้ามเนื้อของปลาหมึก ตั้งแต่นั้นมา วิศวกรได้สร้างเครื่องจักรแบบอ่อนที่หลากหลาย: ตั้งแต่เครื่องมือคล้ายหนอนและตัวจับแบบเจลลี่ไปจนถึงชุด “เอ็กซ์-สูท” ที่สวมใส่และหุ่นยนต์แบบม้วนคล้ายกับพืช

ตัวอย่างเช่น นักวิจัยจาก Yale สร้างหุ่นยนต์แบบอ่อนที่ได้รับแรงบันดาลใจจากเต่า ซึ่งขายของมันสามารถเปลี่ยนจากปีกที่อ่อนไปเป็นขาที่แข็งแรงขึ้น ขึ้นอยู่กับว่ามันกำลังว่ายน้ำหรือเดินอยู่ ที่ UCSB นักวิทยาศาสตร์สร้างหุ่นยนต์แบบม้วนที่เติบโตไปตามแสงโดยใช้เพียง “ผิว” ที่ไวต่อแสง – มันขยายตัวไปตามช่องว่างที่แคบๆ เหมือนกับลำต้นของพืช การนวัตกรรมที่ได้รับแรงบันดาลใจจากชีวภาพเหล่านี้แสดงให้เห็นว่าวัสดุแบบอ่อนสามารถสร้างรูปแบบการเคลื่อนที่ใหม่ๆ ได้อย่างไร

โดยรวมแล้ว ผู้สนับสนุนกล่าวว่าหุ่นยนต์แบบอ่อนสามารถไปที่ที่หุ่นยนต์แบบดั้งเดิมไม่สามารถไปได้ องค์กร U.S. National Science Foundation หมายเหตุว่าเครื่องจักรแบบอ่อนที่ปรับเปลี่ยนได้ “สำรวจพื้นที่ที่ไม่สามารถเข้าถึงได้โดยหุ่นยนต์แบบดั้งเดิม” – แม้กระทั่งภายในร่างกายมนุษย์ หุ่นยนต์แบบอ่อนบางตัวมีผิวที่สามารถเขียนโปรแกรมได้ ซึ่งเปลี่ยนความแข็งหรือสีเพื่อผสมผสานหรือจับวัตถุ วิศวกรกำลังสำรวจ เทคนิค origami/kirigami, โพลีเมอร์ที่มีหน่วยความจำรูปทรง, และเคล็ดลับอื่นๆ เพื่อให้หุ่นยนต์เหล่านี้สามารถเปลี่ยนแปลงรูปร่างได้ระหว่างการทำงาน

วิศวกรรมการเคลื่อนที่แบบยืดหยุ่น

การสร้างหุ่นยนต์แบบอ่อนให้เคลื่อนที่เหมือนสัตว์เป็นเรื่องที่ท้าทายมาก โดยไม่มีจุดหมุนหรือมอเตอร์ ผู้ออกแบบต้องอาศัยคุณสมบัติของวัสดุและเรขาคณิตที่ชาญฉลาด ตัวอย่างเช่น หุ่นยนต์ที่กระโดดของ Georgia Tech ต้องมีกระดูกสันหลังที่ทำจากเส้นใยคาร์บอนภายในร่างกายที่ยืดหยุ่นเพื่อให้การกระโดดมีพลังมากพอ การรวมเซ็นเซอร์และระบบควบคุมก็ยังเป็นเรื่องที่ยากเช่นกัน ตามที่ วิศวกรจาก Penn State ระบุว่า อิเล็กทรอนิกส์แบบดั้งเดิมมีความแข็งและจะทำให้หุ่นยนต์แบบอ่อนติดอยู่กับที่ เพื่อให้หุ่นยนต์ขนาดเล็กที่สามารถคลานได้ “ฉลาด” พวกเขาต้องกระจายวงจรยืดหยุ่นไปทั่วร่างกายเพื่อให้หุ่นยนต์ยังสามารถงอได้ การหาที่มาของพลังงานก็ยังยากขึ้น: หุ่นยนต์แบบอ่อนบางตัวใช้สนามแม่เหล็กภายนอกหรือลมที่ถูกอัดแรงดันเพราะแบตเตอรี่ที่มีน้ำหนักมากจะทำให้หุ่นยนต์หนักขึ้น

หุ่นยนต์แบบอ่อนที่ได้รับแรงบันดาลใจจากหนอนนีมาโทดจาก Georgia Tech (Photo: Candler Hobbs)

อีกหนึ่งอุปสรรคคือการเอาผลประโยชน์จากฟิสิกส์ที่ถูกต้อง ทีมงานหุ่นยนต์แบบอ่อนที่ได้รับแรงบันดาลใจจากหนอนนีมาโทดได้เรียนรู้ว่าการงอช่วยได้ ในท่อยางปกติ การงอจะหยุดการไหลอย่างรวดเร็ว แต่ในหนอนแบบอ่อนจะสร้างความดันภายในอย่างช้าๆ ทำให้สามารถงอได้มากขึ้นก่อนที่จะปล่อยออกมา โดยการทดลองด้วยการจำลองและแม้กระทั่งแบบจำลองบอลลูนเต็มน้ำ นักวิจัยได้แสดงให้เห็นว่าร่างกายที่ยืดหยุ่นของมันสามารถเก็บพลังงานยืดหยุ่นได้มากเมื่องอ แล้วปล่อยออกมาอย่างรวดเร็วในหนึ่งการกระโดด ผลลัพธ์นี้น่าประทับใจ: จากการนั่งยองๆ หุ่นยนต์สามารถกระโดดสูง 10 ฟุตได้ซ้ำๆ โดยการงอกระดูกสันหลังของมันเพียงอย่างเดียว การพัฒนานี้ – การหาวิธี เก็บ และ ปล่อย พลังงานในวัสดุยืดหยุ่น – เป็นตัวอย่างของวิศวกรรมหุ่นยนต์แบบอ่อน

หุ่นยนต์แบบอ่อนที่ใช้งานจริงและผู้ช่วย

หุ่นยนต์แบบอ่อนทั้งหมดนี้มีประโยชน์อะไรบ้าง? ในทฤษฎีแล้ว มันสามารถเข้าไปในสถานการณ์ที่อันตรายหรือไม่เหมาะสมสำหรับหุ่นยนต์แบบดั้งเดิม ในพื้นที่ภัยพิบัติ หุ่นยนต์แบบอ่อนสามารถคลานไปใต้ซากอาคารหรือเข้าไปในอาคารที่พังทลายเพื่อค้นหาผู้รอดชีวิต Penn State ได้แสดงตัวแบบหุ่นยนต์แบบอ่อนที่ควบคุมด้วยแม่เหล็กซึ่งสามารถคลานผ่านซากหรือแม้กระทั่งเคลื่อนที่ผ่านช่องทางขนาดของหลอดเลือดได้

ในด้านการแพทย์ หุ่นยนต์แบบอ่อนขนาดเล็กสามารถส่งยาที่เฉพาะเจาะจงภายในร่างกายได้ ในการศึกษาของ MIT หุ่นยนต์แบบอ่อนขนาดเส้นด้ายถูกมองเห็นว่าสามารถลอยผ่านหลอดเลือดและขจัดลิ่มเลือดได้ ซึ่งอาจรักษาโรคหลอดเลือดสมองโดยไม่ต้องผ่าตัด นักวิทยาศาสตร์จาก Harvard กำลังทำงานเกี่ยวกับชุดเอ็กซ์-สูทแบบอ่อนที่สวมใส่ – ชุดแขนเสื้อที่พองตัวได้ซึ่งช่วยให้ผู้ป่วย ALS ยกไหล่และเพิ่มช่วงการเคลื่อนไหวทันที

หน่วยงานอวกาศก็กำลังจับตามองหุ่นยนต์แบบอ่อนที่สามารถกระโดดได้ ล้อสามารถติดในทรายหรือหิน แต่หุ่นยนต์ที่สามารถกระโดดได้สามารถกระโดดข้ามหลุมหรือเนิน NASA กำลังจินตนาการถึงหุ่นยนต์แบบใหม่ที่สามารถกระโดดได้สำหรับดวงจันทร์และดวงจันทร์ทางน้ำแข็ง ในแนวคิดหนึ่ง หุ่นยนต์ขนาดลูกฟุตบอลที่เรียกว่า SPARROW จะใช้ไอน้ำ (จากน้ำที่เดือด) เพื่อกระโดดหลายไมล์ข้าม Europa หรือ Enceladus บนดวงจันทร์เหล่านั้น ซึ่งมีแรงโน้มถ่วงที่ต่ำ การกระโดดของหุ่นยนต์ขนาดเล็กเพียงหนึ่งเมตรบนโลกสามารถพาไปได้ไกลถึง 100 เมตรบน Enceladus นักวิทยาศาสตร์ระบุว่าหุ่นยนต์หลายสิบตัวสามารถเคลื่อนไปทั่วพื้นที่ต่างดาว “ด้วยความสามารถในการเดินทางที่สมบูรณ์” ที่หุ่นยนต์แบบล้อจะหยุดชะงัก เมื่อกลับมาบนโลก หุ่นยนต์แบบอ่อนที่สามารถกระโดดได้ในอนาคตอาจช่วยในการค้นหาและช่วยเหลือโดยการกระโดดข้ามแม่น้ำ ดินโคลน หรือพื้นที่ที่ไม่มั่นคงที่หุ่นยนต์แบบดั้งเดิมจะหยุดชะงัก

หุ่นยนต์แบบอ่อนยังพบงานในอุตสาหกรรมและเกษตรกรรม องค์กร NSF ระบุว่าหุ่นยนต์เหล่านี้สามารถกลายเป็นผู้ช่วยที่ปลอดภัยบนพื้นโรงงานหรือในฟาร์ม เนื่องจากมันจะยอมให้ถ้ามนุษย์อยู่ในทาง นักวิจัยได้สร้างตัวจับแบบอ่อนที่สามารถจับผลไม้อ่อนๆ โดยไม่ทำให้ผลไม้บาดเจ็บ ความยืดหยุ่นของหุ่นยนต์แบบอ่อนหมายความว่ามันสามารถทำงานในพื้นที่ที่เล็กเกินหรือยืดหยุ่นเกินไปสำหรับอุปกรณ์แบบดั้งเดิม

สุดท้าย ผู้เชี่ยวชาญเชื่อว่าหุ่นยนต์แบบอ่อนจะเปลี่ยนแปลงสาขาต่างๆ อย่างหลากหลาย ตั้งแต่หนอนไปจนถึงชุดเอ็กซ์-สูทและหุ่นยนต์แบบอ่อนที่สามารถกระโดดได้บนดวงจันทร์ สายการวิจัยนี้แสดงให้เห็นว่าการศึกษาสิ่งมีชีวิตขนาดเล็กสามารถสร้างความก้าวหน้าแบบยักษ์ในเทคโนโลยีได้อย่างไร