7 roboți inspirați de animale22 min read

Robotica învață tot mai multe din modul în care se mișcă diverse specii de animale.

Din punct de vedere estetic, roboții au fost imaginați, timp de multă vreme, fie sub formă umanoidă, fie nu, ca structuri rigide. În ultimii ani, însă, concepțiile despre cum ar arăta un robot standard au fost schimbate de dezvoltarea roboticii moale. Acest domeniu acoperă tipurile de roboți care nu au o structură complet rigidă și pot atinge diverse grade de maleabilitate în mișcare.

O parte din cercetătorii care dezvoltă aplicații pentru robotica moale și-au găsit inspirația direct în natură și încearcă să transpună mecanisme din regnul animal în roboți de varii dimensiuni. Există atât de multe propuneri încât cercetători de la MIT au dezvoltat deja un fel de „zoo virtual”,„Open-source platform simulates wildlife for soft robotics designers”, mit.edu/„zoo virtual”„Open-source platform simulates wildlife for soft robotics designers”, mit.edu, o platformă care simulează modul în care diverse animale interacționează cu mediul, menită să ajute inginerii în găsirea celor mai bune configurații pentru variantele lor robotice. Pe de altă parte, chiar și creatorii roboților mai convenționali încep să implementeze tot mai multe idei preluate din locomoția animală.

Iată șapte proiecte de roboți care au preluat și implementat mecanici sau concepte de la animale.

Harvard University

HAMR – robotul inspirat de gândaci

Institutul Wyss pentru Ingineria Inspirată Biologic de la Harvard dezvoltă încă din 2018 un robot inspirat de gândaci, numit HAMR (Harvard Ambulatory Microrobot).„Next-generation cockroach-inspired robot is small but mighty”, harvard.edu Cea mai recentă iterație, HAMR-F, are o lungime de doar 4,5 centimetri și o greutate de 2,8 grame.

Roboții-gândaci sunt obținuti printr-un proces de fabricare special. Componentele microelectronice și mecanice, incluzând servomotoarele, sunt gravate direct pe o peliculă 2D, care e apoi modelatăde pe care sunt transformate în 3D, oarecum similare modelelor de pop-up de pe hârtie.

HAMR-F se deplasează în linie dreaptă cu 17,2 cm/s, și are o baterie litiu-polimer de 8 mAh. Există însă și o variantă mai mică a acestuia, HAMR Jr., care nu are baterie inclusă și funcționează doar cu fir. Are doar 2,25 cm în lungime și este capabilă de deplasare frontală și laterală cu viteze de până la 30 cm/s, precum și de sărituri în aer.  Robotul poate căra „greutăți” de până la aceeași masă ca a sa, adică 320 de grame, dar cercetătorii încearcă să crească această capacitate pentru a putea instala și o baterie.

Institutul va căuta în continuare să scadă dimensiunile robotului, „HAMR-Jr Is a Speedy Quadrupedal Robot the Size of a Penny”, ieee.org în primul rând pentru a-l face cât mai pretabil misiunilor de căutare în clădiri prăbușite, unde pot exista crevase de maximum câțiva centimetri, dar și pentru aplicații în chirurgie sau inspecția motoarelor, unde cele mai mari canale de acces pot avea între 8 și 12 mm.

Robotul inspirat de foci

O echipă de cercetători de la Universitatea DePaul din Chicago „Study on Soft Robotic Pinniped Locomotion”, arxiv.org/O echipă de cercetători de la Universitatea DePaul din Chicago „Study on Soft Robotic Pinniped Locomotion”, arxiv.org a creat un robot inspirat din mamiferele acvatice, mai specific cele din ordinul pinipedelor, precum foci, morse sau lei de mare. Robotul are trei membre, precum și un „cap” central. La fel ca animalele din care se inspiră, el se deplasează prin mișcări ondulatorii.

Membrele robotului, susținute de o „coloană vertebrală” și protejate de o carcasă exterioară, măsoară aproximativ 24 de centimetri în lungime și 3,8 în lățime. Ele sunt acționate de servomotoare pneumatice, ceea ce permite un control ridicat al rigidității membrelor și oferă posibilitatea mișcării retrograde.

De altfel, creatorii au observat că robotul-focă se mișcă mai rapid atunci când merge „cu spatele”. Asta se întâmplă din cauza unei diferențe dintre animale model și  designul robotului: pinipedele au centrul de greutate către partea anterioară a corpului, iar atunci când fac mișcarea ondulatorie în timpul deplasării, își pot propulsa întreg corpul într-un mod stabil.

În schimb, robotul are o distribuție ceva mai simetrică a greutății, iar al treilea membru este plasat în spate, ceea ce îi limitează stabilitatea atunci când vrea să se deplaseze ondulatoriu în fața. Forma facilitează mișcarea retrogradă.

Prototipul actual pare cam neîndemânatic, însă această formă de mișcare ar putea fi folosită pe viitor în cadrul inspecțiilor nucleare, eforturilor de căutare și salvare sau misiunilor de explorare planetară.

University of Waterloo

Geiwbot – robotul șopârlă-vierme

În natură, șopârlele se hrănesc cu viermi, însă în robotică combinația dintre aceste animale oferă idei revoluționare. Este cazul lui GeiwBot,  un robot de dimensiuni minuscule„Gecko-and-inchworm-inspired untethered soft robot for climbing on walls and ceilings”, sciencedirect.com care este inspirat din modul în care șopârlele Gecko se pot prinde de diverse suprafețe, dar arată și se mișcă precum un vierme.

GeiwBot are o grosime de doar un milimetru, 3 milimetri în lățime și 4 centimetri în lungime, însă în acest pachet minuscul folosește câteva principii științifice aparte. De exemplu, robotul, ca și șopârlelele, folosește forța van der WaalsDetalii pe wikipedia.org – o forță de atracție slabă între diverși atomi sau molecule care apare atunci când electronii din aceștia se află în distribuții neuniforme. Șopârlele gecko creează o astfel de forță atunci când fire microscopice de păr aflate pe picioarele lor se freacă de suprafețele pe care reptilele urcă.

Corpul robotului este alcătuit dintr-o peliculă de polimer reactiv la lumină, pe care sunt instalate bucăți de magneți sintetici care crează, prin frecare, o forță van der Waals. În același timp, atunci când este bombardată cu lumină în spectrul infraroșu apropiat, pelicula face corpul să imite mișcările locomotorii ale viermilor, arcuindu-se și îndreptându-se repetat.

Rezultatul este un robot care se poate cățăra pe cam orice suprafață și care  e alimentat extern cu lumină infraroșie, ceea ce l-ar putea face, pe viitor, un candidat ideal pentru chirurgii minim invazive.

Soon Jo-Chung/Caltech

Bat Bot – robotul liliac

Bat Bot, un robot zburător creat în 2017 de cercetători de la Institutul Tehnologic din California și University of Illinois, „A biomimetic robotic platform to study flight specializations of bats”, science.org încearcă să imite agilitatea în zbor a liliecilor, în spatele căreia se află unul dintre cele mai complexe mecanisme din regnul animal. Liliecii au până la 40 de articulații în aripi, ceea ce le permite un control foarte amănunțit al tuturor aspectelor legate de zbor, de la unghiul aripilor la rigiditatea membranelor.

Pentru că este încă imposibilă recreerea completă a mecanismului la aceeași scară, cercetătorii au construit un model care include doar cele mai importante articulații și mișcări din zborul liliacului. Aripile robotului sunt păstrate, astfel, sub greutatea de 100 de grame. Peste acestea este trecut un strat ce imită pielea de liliac, cu grosime de doar 56 de microni, sau jumătate din diametrul unui fir de păr.

Folosind acest modul, Bat Bot poate zbura drept, poate schimba direcția de zbor printr-un viraj înclinat și poate simula un atac în picaj. Robotul poate flutura aripile de zece ori pe secundă, atingând viteze maxime de 20 de km/h în zbor normal și 48 km/h în picaj. Desigur, Bat Bot a fost doar un prototip, dar autorii studiului sugerau, la acea vreme, că un robot zburător cu agilitate ridicată poate fi mai util decât o dronă clasică în spații interioare.

NASA/JPL/Caltech

EELS – robotul NASA în formă de șarpe

Roboții sunt printre cele mai cercetate soluții pentru explorarea spațială, în vederea viitoarelor misiuni extraplanetare, așa că poate nu este surprinzător că și NASA trage inspirație din natura de pe Terra cu EELS „Exobiology Extant Life Surveyor (EELS)”, nasa.gov (Exobiology Extant Life Surveyor), un robot autonom sub formă de șarpe care este dezvoltat pentru a căuta semne de viață în oceanele de sub scoarța lui Enceladus, una din lunile înghețate ale lui Saturn.

Cu toate acestea, EELS este în prezent testat pentru o gamă diversă de medii, deoarece metoda sa de locomoție se pretează la multe tipuri de teren dificil, incluzând zone deșertice, înzăpezite sau înghețate. Având o lungime de 4 metri și cântărind în jur de 100 de kilograme, robotul este compus din zece segmente identice care, folosind principiul filetelor de pe șuruburi, se pot deplasa frontal și menține aderența cu suprafața în cauză prin rotire.

Sigur, dificultatea principală pentru orice robot de explorare spațial va fi eficiența cu care acestapoate funcționa autonom, luând în calcul, de exemplu întârzierea cu care ar ajunge comenzile de pe Pământ pe Enceladus. Așadar, EELS va fi dotat cu camere și senzori LIDAR care vor crea o hartă 3D a zonei înconjurătoare, prin care robotul va fi ghidat de algoritmi de navigare ce vor selecta cea mai sigură rută de deplasare.

MPI/IS/Science Advances

Jellyfish-Bot – robotul sub formă de meduză

Până la spațiu, cel puțin la fel de utili vor fi roboții care ar putea ajuta cu reversarea efectelor pe care omul le-a avut asupra Terrei, precum cantitățile imense de plastic ajunse în mări și oceane. Cercetătorii de la Institutul Max Planck din Germania propun o soluție sub forma lui Jellyfish-Bot„A versatile jellyfish-like robotic platform for effective underwater propulsion and manipulation”, science.org/ un robot care ar folosi forma naturală a meduzelor pentru a strânge plasticul din oceane fără a provoca mari probleme pentru habitatele din acestea.

Atunci când înoată vertical, meduzele pot capta obiecte care se află pe traiectoria sau în apropierea lor, creând curenți de apă în jurul corpului, acesta fiind unul din modurile în care creaturile acvatice își colectează nutrienții. Funcția robotului ar fi aproape identică, doar că ar colecta deșeurile subacvatice.

Corpul lui Jellyfish-Bot cuprinde șase membre acționate prin servomotoare care funcționează similar unor mușchi artificiali, numite HASEL. Acestea sunt acoperite cu electrozi care, atunci când primesc un curent de 100 mW de energie electrică, forțează servomotoarele să miște membrele, într-un mod care generează suficient impuls atât pentru a deplasa corpul, cât și pentru a ridica particulele de deșeuri din jur. În același timp, două dintre membre pot fi folosite pentru a prinde deșeurile ceva mai voluminoase, precum măștile sanitare.

Marea problemă este că, pentru a face acest lucru, primul prototip de Jellyfish-Bot poate executa această mișcare doar dacă primește curent electric printr-un cablu – cercetătorii nu au putut replica acțiunea servomotoarelor prin metode wireless. În cazul în care și acest hop va fi depășit, flote de meduze robotice ar putea fi trimise în viitorul apropiat pentru curăța habitatele oceanice afectate de plastic.

Boston Dynamics

Spot – robotul-câine

Cel mai cunoscut robot inspirat din regnul animal este câinele-robotic Spot,Detalii pe bostondynamics.com dezvoltat de Boston Dynamics. Asta pentru că deja peste 1.000 de exemplare ale acestuia sunt deja folosite, printre altele, în proiecte de monitorizare a siturilor de construcție, inspecție a centralelor nucleare și mententanță predictivă la fabricile de semiconductori.

Patrupedul robotic este așa de versatil pentru că este și foarte customizabil, oferind posibilitatea de a-i monta diverse set-up-uri de camere, senzori, accesorii și greutăți de transport de până la 14 kilograme. Desigur, ajută foarte mult și forma – cele patru picioare sunt ideale pentru a traversa diverse tipuri de obstacole sau un teren accidentat/inegal.

În același timp, Spot are și capabilitatea de a naviga mediul înconjurător autonom, cu senzori LIDAR, scannere laser și camere care pot fi folosite și pentru coordonarea cu alți roboți sau oameni.

Pe lângă toate acestea, soft-ul lui Spot include și algoritmi complecși de deep learning și reinforcement learning, incluzând rețele neuronale, cu ajutorul cărora poate învăța din experiențe și deveni tot mai eficient la task-ul pentru care e folosit. Boston Dynamics continuă să-l facă pe Spot tot mai fiabil cu fiecare update, îmbunătățind echipamentele de comunicații de pe acesta, precum și algoritmii pe care îi folosește.

Spot are și utilizări mai controversate, în general în poliție sau domeniul militar. Armata franceză l-a testat deja în exerciții militare în 2021, „The French army is testing Boston Dynamics’ robot dog Spot in combat scenarios”, theverge.com iar poliția din New York a anunțat deja că va achiziționa două exemplare pentru a le folosi în situații de risc ridicat pentru polițiști.„This Week in Gear News: The NYPD Brings Robot Dogs Back”, wired.com/