6 miesięcy temu
Pływają, latają, biegają, skaczą, czołgają się i są w tym wszystkim… znakomite. To jednocześnie najbardziej zróżnicowana gatunkowo gromada świata zwierząt. Mowa o owadach, które dzięki działającym w nich wymyślnym wynalazkom natury coraz częściej stają się inspiracją dla konstruktorów robotów.
Ostatnio pisaliśmy na łamach HomoDigital o robotach przypominających człowieka. Czas teraz na inne podobieństwa. Roboty jak ludzie nie wykonają bowiem wszystkich potrzebnych zadań. Obok humanoidów, mechanicznych psów i innych zwierząt w niedalekiej przyszłości można będzie się spodziewać towarzyszącej ludziom coraz większej liczby cybernetycznych owadów.
Zespoły badaczy z różnych ośrodków naukowych starają się podpatrywać zachowania pszczół, koników polnych i innych insektów. Dzięki wyjątkowym zdolnościom takie urządzenia mają się nadawać do przeróżnych zadań specjalnych, w których robot przypominający człowieka sprawdziłby się zdecydowanie gorzej. Mają np. wchodzić w wąskie szczeliny pod gruzami, aby poszukiwać ludzi, mogą prowadzić inspekcje trudno dostępnych miejsc takich jak rury, wentylacje, przewody elektryczne czy silniki odrzutowe, mają tę możliwość wykonywania zwiadu dla wojska.
Cybernetyczny konik polny
Na przykład grupa z Uniwersytetu Chrystiana Albrechta w Kilonii pracuje nad małymi robotami, które mają mieć zdolność poruszania się po różnorodnym terenie, dzięki naśladowaniu konika polnego. W opisanych właśnie eksperymentach zespół ten zbudował mechanicznego polnego konika, który podobnie do naturalnego pierwowzoru potrafi pływać i wyskakiwać z wody.
„Zdolność tych owadów do pływania i wyskakiwania z wody to ważna inspiracja dla zaawansowanej robotyki” – zwraca uwagę twórca wynalazku prof. Stanislav N. Gorb. „Nasza praca nie tylko ukazała złożony mechanizm odpowiedzialny za akrobatyczne ruchy tego gatunku wykonywane w wodzie. Stworzyła też fundamenty pod rozwój inspirowanych biologią robotów, które mogą poruszać się w różnorodnym terenie” – podkreśla badacz.
Najpierw z pomocą szybkich kamer naukowcy nagrali materiały wideo z żywymi konikami polnymi. To pozwoliło im po raz pierwszy zrozumieć, jak te owady tak naprawdę się poruszają. „Zarejestrowaliśmy połączenie dwóch różnych mechanizmów umożliwiających wodne akrobacje. Koniki polne utrzymują ciało na wodzie dzięki statycznym siłom, a jednocześnie poruszają ciało do przodu z pomocą sił hydrodynamicznych” – tłumaczy prof. Gorb. Według naukowców syntetyczny konik mógłby np. pomagać w poszukiwaniu ludzi w przypadku katastrof.
Robot zwinny jak pająk
Z kolei na University of Colorado Boulder powstał inspirowany pająkami dwucentymetrowy robot mCLARI, który podobnie jak żywy pająk chodzi na kilku odnóżach. W ubiegłym roku opisująca wynalazek praca zdobyła Nagrodę na Najlepszą Publikację dot. Bezpieczeństwa, Zabezpieczeń i Robotów Ratunkowych na Międzynarodowej Konferencji nt. Inteligentnych Robotów i Systemów w Detroit.
„Jesteśmy żywo zainteresowani zrozumieniem, dlaczego zwierzęta te poruszają się tak, a nie inaczej. Chcemy nauczyć się budować inspirowane biologią roboty, które będą zaspokajać różne potrzeby ludzi. Jakie to potrzeby? Poszukiwania i niesienie pomocy ofiarom katastrof, monitorowanie środowiska czy choćby pomoc w zabiegach chirurgicznych i podawaniu leków” – mówi prof. Kaushik Jayaram, współautor elektronicznego pająka.
Robot, oprócz chodzenia do przodu i do tyłu, potrafi się poruszać na boki, ale jego najważniejsza umiejętność jest inna. Może przeciskać się przez ciasne zakamarki, a robi to dzięki wyjątkowej zdolność zwężania swojego „ciała”.
„Ponieważ takie roboty mogą zmieniać swój kształt, mogą być nieco większe. Większy rozmiar oznacza też większą dopuszczalną masę. To z kolei pozwala na umieszczenie w robocie większej liczby czujników. Rośnie też czas użytkowania i stabilność robota. W razie potrzeby jednak może się on przecisnąć przez wąskie przestrzenie. Może się to przydać na przykład w trakcie inspekcji wnętrza silnika odrzutowego” – podkreśla badacz.
Czytaj też: Roboty jak ludzie w… fabrykach. Świetlana przyszłość przemysłu?
Mikrosiłowniki
Bogactwo przyrody jest doprawdy niezmierzone. W Washington State University powstała np. miniaturowa syntetyczna pluskwa i nartnik. Nartnik to owad, który chodzi po powierzchni wody, wykorzystując napięcie powierzchniowe. Robot-nartnik jednocześnie, jak zapewniają konstruktorzy, najmniejsze, najlżejsze w pełni funkcjonalny miniaturowy robot w historii. Pluskwa waży zaledwie 8 mg, a nartnik – 55. Oba cybernetyczne owady poruszają się z prędkością ok. 6 mm na sekundę.
„To naprawdę gwałtownie w porównaniu do innych mikrorobotów działających w tej skali. Choć przez cały czas wolniej, niż poruszają się żywe owady” – zwraca uwagę jeden z pracujących nad robotami naukowców, Conor Trygstad. Kluczowym elementem do ich zbudowania były specyficzne mikrosiłowniki. Jak podkreślają naukowcy, to najsilniejsze miniaturowe siłowniki w przeliczeniu na rozmiar, jakie dotąd zbudowano. Wykonano je z materiałów, które zmieniają swoje rozmiary w reakcji na temperaturę. Mogą się np. zginać w kontakcie z prądem. Nie są im potrzebne przekładnie ani inne typowe ruchome elementy.
Nowy siłownik potrafi unieść ciężar aż 150 razy większy niż jego własna masa. „Opracowanie bardzo lekkich siłowników otwiera zupełnie nowe obszary budowy mikrorobotów” – stwierdza Trygstad. Teraz badacz i jego zespół chcą udoskonalić bieganie nartnika po wodzie, tak aby jego ruch jeszcze dokładniej przypominał przemieszczanie się żywego owada. Dodatkowo chcą wzbogacić robota o zdolność do nurkowania. Pracują też nad miniaturowymi bateriami i ogniwami katalitycznymi, które umożliwią bezprzewodowe zasilanie ich konstrukcji.
Pięta achillesowa robotyzacji – baterie
Bo zasilanie to niestety przez cały czas duże wyzwanie dla konstruktorów minirobotów. Baterie, podobnie jak w elektrycznych samochodach, są ciężkie, a ich pojemność pozostawia sporo do życzenia. Próbuje się różnych pomysłów. Na University of Washington powstał np. system, który miniaturowym robotom może zapewniać energię „z powietrza”. Badacze stworzyli małego jeżdżącego robota wielkości małej monety, który zasilany jest wyłącznie falami radiowymi i światłem.
Takie zasilanie w pochmurny dzień pozwala minirobotowi pokonać w godzinę dystans ok. 10 metrów. Urządzenie może jednak przenosić ładunek (np. kamerę czy różnego rodzaju czujniki) o masie trzykrotnie większej niż jego własna. Naukowcy przetestowali wynalazek w różnych warunkach – na ulicy, w parku, na terenie hydroponicznej uprawy i w biurze.
„W naszej pracy przekraczamy bariery różnych dziedzin. Po to, aby tworzyć zrobotyzowane sensory zbierające dane z różnych miejsc i dostarczać dokładnych danych na temat danego środowiska. Może to być inteligentna farma, gdzie roboty będą sprawdzały stężenie pary wodnej i wilgotność gleby, albo fabryka, gdzie będą monitorowały elektromagnetyczny szum i usterki wyposażenia” – mówi jeden z twórców robot Zachary Englhardt. w tej chwili robot mierzący poziom światła, temperaturę i wilgotność, z pomocą łącza Bluetooth transmituje dane choćby na odległość 200 m.
Roboty jak owady, ale w skali makro
W niedalekiej przyszłości mogą też pojawić się syntetyczne „owady”, które będą dużo większe od wytworów natury. Zjawiska przyrody można bowiem wykorzystać na różne sposoby. Na przykład zespół z Uniwersytetu w Nankinie przyjrzał się owadom, które świetnie sobie radzą z lataniem, a kiedy chcą, siadają choćby na pionowej ścianie i sprawnie po niej chodzą.
Chińska grupa skonstruowała sporego drona, który lata podobnie jak owad, po czym potrafi w mgnieniu oka osiąść na ścianie i się po niej wspinać. Równie sprawnie od ściany się odczepia, jak i startuje do ponownego lotu. Robota w powietrzu utrzymują skrzydła i rotory. Dodatkowo rotory, podobnie jak przyssawki obecne na odnóżach prawdziwych owadów, przytrzymują robota przy ścianie, kiedy na niej wyląduje.
„Owady latają w powietrzu i wspinają się po ścianach, korzystając z wszechstronnej zdolności kontroli pracy skrzydeł i pozycji ciała. Używają skrzydeł, odnóży i informacji wizualnych do koordynacji startu i lądowania” – podkreśla kierujący pracami Aihong Ji. „Kiedy owad lata w powietrzu, siła nośna generowana przez skrzydła jest skierowana w górę, a ustawienie ciała może być dowolnie zmieniane. Kiedy owad ląduje na ścianie czy z niej startuje, konieczne jest wykonanie serii złożonych manewrów, takich jak redukcja prędkości ciała i jego silne obrócenie – dodaje badacz.
„Zainspirowała nas możliwość stworzenia bionicznego robota ze zdolnością do silnej rotacji ciała potrzebnej do przejścia z fazy lotu do fazy wspinania się po ścianie osiągniętej dzięki naśladowaniu kontroli ciała przez owada” – podkreśla naukowiec. Zespół badawczy twierdzi, iż tego typu latające i chodzące po ścianach roboty mogą mieć różne zastosowania, takie jak inspekcja i naprawy różnych obiektów, poszukiwania ludzi, monitoring środowiska. Mówią choćby o nagrywaniu filmów przyrodniczych – np. przez robota trzymającego się pnia drzewa.
Będą roboty-owady – znajdą się zastosowania
Czy za kilka, kilkanaście lat będą nas otaczały elektroniczne pszczoły, muchy, pająki i polne koniki? Kto wie… choć to raczej fantastyczny scenariusz. Raczej, patrząc na to, jak rozwijają się inne dziedziny robotyki, można prognozować, iż wzorowane na owadach maszyny znajdą specyficzne zastosowania w różnych niszach. Będą pewnie pomagały służbom ratowniczym czy siłowym, fachowcom dbającym miejską infrastrukturę czy przyrodnikom. prawdopodobnie też znajdą zastosowania, o których dzisiaj trudno pozostało pomyśleć.
Czytaj też: Nadlatują roje dronów. Nowa epoka robotyzacji naszego życia
Czytaj też: Robot i człowiek – ścisła współpraca. Będą dobrymi kolegami?
Źródło zdjęcia: Nathan Cima/Unsplash
