Roboții care zboară, înoată și forează, inspirați de natură 12 min read

Cercetătorii europeni se inspiră de la păsări, pești și chiar viermi pentru a dezvolta mașini care să exploreze locuri de pe Pământ unde oamenilor le este greu să ajungă.

Ornitopterul din filmul science-fiction de mare succes Dune seamănă cu un elicopter încrucișat cu o libelulă. Nici nu este de mirare.

Încă de când oamenii și-au imaginat aparate care zboară, inginerii deschizători de drumuri s-au inspirat din natură. Astăzi, ei se străduiesc să construiască roboți zburători care să ajungă în locuri îndepărtate pentru a monitoriza mediul și a colecta mostre.

Aripi care flutură

Păsările, de exemplu, sunt un model excelent pentru investigarea designului natural, potrivit dr. Raphael Zufferey, robotician la Institutul Federal de Tehnologie din Lausanne, în Elveția. 

„Beneficiază de milioane de ani de evoluție”, spune acesta. „Avem astfel ceva care s-a optimizat de-a lungul istoriei.”

Zufferey conduce un proiect de cercetare care a primit finanțare din partea UE pentru a dezvolta roboți cu aripi care flutură. 

Denumit FAAV,// „Design and locomotion of Bio-inspired Flapping-Wing Aerial-Aquatic robots”, cordis.europa.eu // proiectul a început în urmă cu doi ani și se concentrează pe mașini zburătoare ușoare și accesibile financiar, care ar putea fi trimise să exploreze râuri, lacuri și mări pentru a le monitoriza starea și a colecta date.

Roboții aeriano-acvatici cu aripi care flutură pot zbura și ajunge în locuri izolate sau se pot scufunda și pot explora, de exemplu, tărâmul subacvatic al lacurilor vulcanice.

„Atunci când ai un robot care cântărește 200 de grame, îl poți pune în rucsac, poți merge până la marginea unui lac vulcanic și îl poți lansa în apă”, spune Zufferey. 

El înșiră și alte exemple de utilizări potențiale ale acestor asistenți-roboți, cum ar fi studierea stării recifurilor de corali, prelevarea de mostre de la organisme marine pentru teste ADN sau analizarea sedimentelor subacvatice. 

Testarea decolării, succesul înotării

Zufferey spune că principala provocare tehnică este ca robotul să se ridice în aer din apă. Până acum, echipa sa a avut un oarecare succes în testele de laborator. 

„Mai avem de lucru”, spune acesta. „Primele rezultate au fost însă destul de bune.” 

Cercetătorii analizează atât aripile pliabile, cât și cele nepliabile pentru a vedea care funcționează mai bine. Echipa a reușit, de asemenea, să facă robotul să înoate cu o viteză de un metru pe secundă după ce a intrat în apă din aer – mai rapid decât majoritatea celorlalți roboți înotători. 

„Și acesta a fost un prim rezultat foarte bun”, spune Zufferey. „Am reușit să facem un robot să înoate bine, deși a fost proiectat inițial să zboare.”

Imitarea naturii nu este atât de simplă pe cât ar părea și implică o mulțime de compromisuri. De exemplu, robotul trebuie să fie suficient de ușor pentru a zbura, dar și suficient de dens pentru a se scufunda cu senzori și a colecta mostre. 

În încercarea de a găsi cea mai bună combinație de materiale, cercetătorii s-au oprit la polimerii avansați și fibra de carbon – cunoscută pentru raportul său excelent rezistență-greutate.

Zufferey spune că echipa sa ar putea avea un robot care poate zbura și înota deopotrivă peste circa șase luni. Acesta a estimat costul la circa 350 de euro/bucată, ceea ce înseamnă un preț bun pentru activități precum monitorizarea mediului.

Tărâmul subteran

Alți cercetători merg și mai adânc și proiectează un robot capabil să se aventureze în locuri subpământene anevoioase, inclusiv cu apă, pentru a extrage minerale. 

Europa are circa 30.000 de mine închise în care încă se mai găsesc materii prime precum crom, cupru, aur, fier și zinc, care sunt cruciale pentru unele industrii, cum ar fi cea energetică sau cea electronică. Recuperarea acestor materiale// „To secure raw materials, Europe turns to recycling”, ec.europa.eu // cu ajutorul roboților, într-un mod care să nu afecteze mediul, ar însemna că oamenii nu ar mai fi nevoiți să meargă în astfel de locuri periculoase și că s-ar reduce nevoia de importuri.

„Opțiunea logică este să trimitem roboți”, spune dr. Claudio Rossi, robotician la Universitatea Tehnică din Madrid, în Spania. „Ideea fundamentală este de a-i oferi Europei surse interne sustenabile de materii prime, care sunt folosite peste tot, inclusiv în telefoanele mobile, în computere și în mașini.”

Proiectul ROBOMINERS,// „To secure raw materials, Europe turns to recycling”, ec.europa.eu // pe care îl conduce, beneficiază de finanțare din partea UE și caută să dezvolte un prototip inspirat de mișcările peștilor, insectelor și viermilor. 

Capabil să își croiască drum prin mine inundate, un astfel de robot-explorator ar permite mineritul la foarte mare adâncime și extracția unor zăcăminte care, altfel, ar fi neeconomice pentru companii, dar și periculoase pentru oameni.

Cu o lățime de circa un metru și o lungime de trei metri, dimensiunea relativ redusă a robotului și forarea de precizie ar reduce deșeurile și ar însemna că nu dăunează atât de mult mediului precum mașinăriile tradiționale, potrivit lui Rossi. Ideea este de a folosi astfel de roboți în formație. 

Mustăți precum cârtițele

Robotul s-ar putea și repara singur și ar funcționa cu senzori și inteligență artificială. 

„Robotul are mustăți precum o cârtiță”, spune Rossi. „Cu ele, poate atinge pereți sau obstacole și astfel putem construi un model 3D al minei. Ne poate spune că aici este un perete, aici o piatră, în stânga un tunel.”

Teste de forare subacvatică au avut loc în Estonia și Slovenia, majoritatea componentelor-cheie ale robotului fiind testate la o presiune a apei de 100 de bari. 

„Aceasta înseamnă că ar fi capabil să lucreze la adâncimi de până la 1.000 de metri, ceea ce este mai mult decât suficient”, spune Rossi.

Deși proiectul ar urma să se încheie la 30 noiembrie 2023, după patru ani și jumătate, Rossi spune că va fi nevoie să se continue munca pentru a perfecționa prototipul. 

Acesta estimează că ar fi nevoie de trei până la patru ani pentru a integra inteligența artificială în robot, de zece ani pentru a avea un model complet funcțional și de 20 de ani pentru a intra în faza de producție.

„Suntem abia la început, dar am învățat multe”, spune Rossi. 

Dintr-o altă perspectivă, Zufferey, care conduce proiectul FAAV, crede că munca echipei sale legată de roboții cu aripi care flutură ar putea fi utilă pentru cercetătorii ornitologi. 

„De ce au păsările scufundătoare acea mărime a aripilor și acea rigiditate?”, spune acesta. „Am putea merge la un biolog și să-i spunem: «Iată răspunsul la întrebare»”. 

​ Acest articol a fost publicat inițial în Horizon, revista de cercetare și inovare a UE.