Miękkie roboty podbiją świat?

Choć roboty już od dłuższego czasu stają się coraz bardziej niezwykłe i wkraczają w kolejne nisze i środowiska, mają duże ograniczenie – twarde, sztywne ciało. To się może zmienić, dzięki miękkiej robotyce, która otwiera zupełnie nowe możliwości.

Według naukowców miękkie roboty będą mogły ratować ludzi spod gruzów, badać morza, czy z czasem choćby penetrować ludzkie ciało, aby podawać leki czy wykonywać biopsje. Twórcy tych urządzeń wykorzystują tak nietypowe podejścia, jak sterowanie przez pole magnetyczne, giętka elektronika czy „inteligentne nogi”.

Robot–pnącze wchodzi pod gruzy

Służby ratownicze mogą za jakiś czas otrzymać nietypową pomoc. Mowa o Soft Pathfinding Robotic Observation Unit (SPROUT) – giętkim robocie w postaci pnącza, który potrafi się wydłużać i manewrować w wąskich przestrzeniach między przeszkodami, na przykład pod gruzami. Pozwoli więc, na przykład, na stworzenie mapy terenu i znalezienie najlepszej drogi dotarcia do poszkodowanych.

– Środowisko miejskich akcji poszukiwawczo-ratowniczych może być brutalne i bezlitosne – choćby najbardziej zaawansowana technologia ma trudności z działaniem w takich warunkach. Prosty sposób działania robota w postaci pnącza pozwala jednak ograniczyć wiele wyzwań, z którymi borykają się inne platformy – mówi Chad Council z MIT Lincoln Laboratory, współtwórca wynalazku.

Badacze podkreślają, iż ratownicy rutynowo korzystają z szerokiego technicznego wsparcia, takiego jak kamery i czujniki. Urządzenia te mają jednak duże ograniczenia – na przykład kamerę można wprowadzić do miejsca docelowego tylko po linii prostej, co zwykle utrudnia lub uniemożliwia wykorzystanie jej potencjału. SPROUT ma sobie doskonale radzić w takich sytuacjach.

Robot składa się z nawiniętej na szpulę miękkiej, nadmuchiwanej rury, która w razie potrzeby się wydłuża. Może się przy tym zginać i przeciskać przez różnego typu zakamarki. w tej chwili robot ma długość 3 metrów, ale naukowcy pracują już nad jego wydłużeniem do 10 m. Sterowanie nim jest bardzo łatwe – przy pomocy joysticka sprzężonego z systemem regulującym dopływ powietrza do różnych jego segmentów. Na specjalnym poligonie wynalazek został już przetestowany w warunkach zbliżonych do prawdziwej miejskiej katastrofy. Ta technologia może być także wykorzystywana na przykład przy konserwacji systemów wojskowych lub różnego typu krytycznej infrastruktury, do której dostęp jest utrudniony.

Roboty-ośmiornice i ryby schodzą pod wodę

Do szczególnie trudnych środowisk należą, naturalnie, wodne głębiny. Wzięli to pod uwagę naukowcy z Chińskiej Akademii Nauk, którzy zaprezentowali miękkiego robota-rybę (wzorowanego na makreli). Bioniczna struktura robota powstała m.in. z pomocą drukarki 3D. Zastosowano w niej też np. elastomerowe membrany i giętkie elektrody. Z pomocą elastycznych czujników nacisku naukowcy odtworzyli choćby typowy dla ryb narząd linii bocznej, który pozwala na wykrywanie ruchów i drgań wody. Pomaga więc w orientacji, wykrywaniu przeszkód i innych obiektów.

Skoordynowany ruch elementów przypominających syntetyczne mięśnie pozwala sztucznej rybie pływać podobnie do jej naturalnego pierwowzoru. Nieco podobny wynalazek stworzyła grupa z National University of Singapore, która opracowała robota inspirowanego ośmiornicą. Urządzenie ma wykonywać zadania z dwóch różnych grup – pierwsza to analiza ruchu ośmiornic, a druga – różnego rodzaju podwodne aktywności, na przykład monitorowanie środowiska, eksploracja głębin czy choćby pomoc w akcjach ratunkowych. Badacze wybrali ośmiornicę, ponieważ zwierzęta te znane są ze swojej wyjątkowej zwinności i umiejętności manipulowania różnymi przedmiotami. Robot, podobnie jak żywe zwierzę, ma więc osiem miękkich ramion, które swobodnie unoszą się w wodzie, a gdy maszyna ma przyspieszyć, ramiona gwałtownie się prostują, powodując wyrzut wody i szybki ruch urządzenia. Naukowcy pracują jeszcze nad udoskonaleniem tego ruchu, ale także nad zdolnością do manipulowania różnymi obiektami z pomocą ramion.

Robotem mogą sterować magnesy

Miękka robotyka to młoda dziedzina, w której mogą sprawdzić się różnego typu nieszablonowe podejścia. Na przykład zespół z Pennsylvania State University w swoim wynalazku połączył giętkie elementy elektroniczne z napędem magnetycznym.

– W przypadku większości zastosowań miękkie roboty działały w systemie jednokierunkowej komunikacji, co oznacza, iż polegały na zewnętrznym sterowaniu, aby poruszać się w złożonych środowiskach. Naszym celem było zintegrowanie inteligentnych czujników, dzięki którym roboty te mogłyby wchodzić w interakcje z otoczeniem i działać przy minimalnej ingerencji człowieka – podkreśla jeden z autorów pomysłu, Huanyu “Larry” Cheng. – Chcieliśmy zaprojektować system, w którym miękka robotyka i elastyczna elektronika bezproblemowo współpracują. Tradycyjna elektronika jest sztywna, co utrudnia integrację. Nasze rozwiązanie polegało na rozmieszczeniu komponentów elektronicznych w taki sposób, aby zachować elastyczność robota, jednocześnie zapewniając niezawodną wydajność – dodaje.

Jak to działa? Robot porusza się dzięki twardym materiałom magnetycznym wbudowanym w jego elastyczną strukturę. Reagują one na zewnętrzne pole magnetyczne. Dodatkowo, zintegrowane z nim czujniki umożliwiają automatyczne reagowanie na sygnały z otoczenia. Poprzez regulację siły i kierunku tego pola badacze mogą sterować ruchami urządzenia – takimi jak zginanie, skręcanie czy pełzanie – bez potrzeby zasilania.

Jedną z głównych przeszkód w rozwoju tej technologii było znalezienie sposobu na to, aby elastyczna elektronika nie ograniczała ruchu.

– Mimo iż zaprojektowaliśmy elastyczne elementy elektroniczne, ich sztywność wciąż jest od setek do tysięcy razy większa niż materiału, z którego wykonany jest sam robot. Aby to przezwyciężyć, rozmieściliśmy elementy elektroniczne na całej strukturze, zmniejszając ich wpływ na ruch – opowiada dr Cheng.

Według twórców maszyny, w przyszłości mogłaby np. uczestniczyć w akcjach poszukiwawczo-ratowniczych, sprawnie poruszając się wśród gruzów, wykrywając ciepło lub przeszkody. Miniaturowa wersja mogłaby choćby precyzyjnie dostarczać leki w wybrane miejsca w ciele, czy pobierać próbki tkanek – twierdzi naukowiec.

– jeżeli uda nam się jeszcze bardziej zmniejszyć te roboty, moglibyśmy wstrzykiwać je do naczyń krwionośnych, aby leczyć choroby układu krążenia lub dostarczać leki bezpośrednio do zmienionych chorobowo miejsc. To otworzyłoby zupełnie nowe możliwości w zakresie nieinwazyjnych metod leczenia – tłumaczy dr Cheng.

Naturalna inteligencja rodzi się w pneumatycznych nogach

Jeszcze bardziej niezwykłą technologię opracował zespół badawczy z AMOLF w Amsterdamie. Tym razem naukowcy stworzyli miękkiego robota, który potrafi chodzić, skakać i pływać, przy czym robi to wszystko bez użycia komputera i w ogóle elektroniki. Wystarczają mu miękkie rurki, powietrze i sprytne wykorzystanie fizyki. Każda z miękkich, zbudowanych z rurek nóg robota zasilana jest strumieniem powietrza, pod wpływem którego zaczyna drgać – podobnie jak popularne dmuchane reklamowe postacie.

Pojedyncza noga porusza się chaotycznie, jednak gdy połączy się ich więcej, dzieje się coś niespodziewanego – ich ruchy gwałtownie się synchronizują, tworząc rytmiczne schematy, które można wykorzystać do poruszania robotem.

– Nagle z chaosu wyłania się porządek – mówi główny autor wynalazku Alberto Comoretto. – Nie ma żadnego kodu, żadnych instrukcji. Nogi po prostu samoczynnie się synchronizują i robot rusza – tłumaczy, porównując to do sytuacji, w której świetliki synchronicznie migają czy komórki serca pulsują w zgodnym rytmie.

Robot jest bardzo szybki – osiąga prędkość 30 długości własnego ciała na sekundę. Dla porównania, Ferrari – podają naukowcy – osiąga prędkość 20 długości na sekundę. Co jeszcze bardziej zaskoczyło naukowców, synchronizacja nóg okazała się dostosowywać do okoliczności – gdy robot napotyka przeszkodę, sam się przestawia w odpowiedni tryb. Kiedy, na przykład, przechodzi z lądu do wody, jego sposób poruszania się spontanicznie zmienia się z synchronicznego skakania na styl pływacki przypominający kraula. Te przejścia zachodzą bez żadnego centralnego procesora czy logiki sterującej. Ruch wynika wyłącznie ze ścisłej współzależności między ciałem robota a otoczeniem. Podobne systemy można spotkać w przyrodzie – podkreślają eksperci.

– Na przykład rozgwiazdy koordynują setki rurek przy pomocy lokalnej informacji zwrotnej i dynamiki ciała, a nie dzięki centralnemu mózgowi – wyjaśnia Mannus Schomaker, jeden z naukowców.

Możliwe przyszłe zastosowania mają obejmować m.in. inteligentne pigułki czy technologie kosmiczne.

Roboty bez elektroniki – czy to możliwe?

Mikroroboty bez mikroelektroniki, które po połknięciu mogłyby autonomicznie dotrzeć do docelowej tkanki i tam uwolnić leki. Robotyczne egzoszkielety, które synchronizują się z krokami użytkownika, bez użycia procesorów mogłyby zwiększać siłę człowieka. Autonomiczne maszyny mogłyby też działać w przestrzeni kosmicznej, gdzie tradycyjna elektronika zawodzi ze względu na ekstremalne warunki. Czy te wszystkie wizje się sprawdzą – trudno powiedzieć! Można się jednak chyba spodziewać, iż dzięki pomysłowości naukowców i inżynierów, miękkie roboty o różnych kształtach będą trafiać do kolejnych środowisk i miejsc, o których dzisiaj nikt nie pomyślał.

Autor zdjęcia: AMOLF/Alberto Comoretto