Robotyczna pazurnica z Korei i skolopendra śmigająca po wybojach. Jak roboty naśladują naturę

Mówię – robot, myślę – android. A to błąd. Im mniej roboty będą do nas podobne, tym potencjalnie wykonają więcej prac, których nie możemy się podjąć. W poszukiwaniu rozwiązań przyglądamy się naturze: dżdżownicom, żukom, stonogom, ośmiornicom, pazurnicom (coś pomiędzy pierścienicami a stawonogami) – jednym słowem rozwiązaniom, które ewolucja szlifowała przez dziesiątki, a nawet setki milionów lat. A potem próbujemy naśladować i łączyć ze sobą po inżyniersku to, co w pomysłach matki natury jest najdoskonalszego. Trzeba wymyślić, jak tym w sposób zasadniczo niezauważalny sterować i czym to napędzać. Przydają się niesamowicie inteligentne materiały oraz nowe podejście do słowa „silnik”. A na końcu zobaczymy, jak robot przypominający zewnętrznie skrzyżowanie dżdżownicy ze stonogą odkręca nakrętkę ze śruby. Dosłownie.

Zmienne odnóża pazurnicy

Oczywiście, to jest tylko taki cyrkowy pokaz, ale gdzie się istotnie wykorzysta taką robotyczną pazurnicę zdolną do adhezji (przylegania) przy minimalnym nacisku na miękkie i chropowate powierzchnie? Dzięki zdalnemu sterowaniu i zaawansowanej mobilności będzie ona uczestniczyć w operacjach medycznych o minimalnej inwazyjności – w diagnostyce, chirurgii i kontrolowanym, precyzyjnym dostarczaniu leków. Bajka i pieśń przyszłości? Ależ funkcjonalny jak najbardziej prototyp tego robota istnieje i zaprezentowali go na łamach „Science Advances” z 20 listopada 2024 r. koreańscy uczeni.

Czytaj więcej

Technologie

CES 2025. Ta technologia zmieni każdego w mocarza. Praca i rekreacja po nowemu

Można już poczuć się niczym Tom Cruise w filmie „Na skraju jutra”. Start-up Hypershell opracował rozwiązanie, które nawiązuje do tego filmu science-fiction. Egzoszkielet wspierany przez AI daje nadludzkie moce.

To nie jest film „Innerspace”, gdzie udaje się zminiaturyzować ludzi, by weszli do krwiobiegu człowieka, a wyszli w spojówce wraz ze łzami, a po drodze wyczyścili mózg z nowotworu. To na razie miniaturowy robot. Zauważmy jednak, że skoro praw fizyki się nie zmieni, to im mniejsze powierzchnie styku, tym problemy związane z przyczepnością, tarciem i energią powierzchniową rosną wykładniczo. Manipulowanie obiektami lub stabilne mocowanie i poruszanie się robotów w ludzkim ciele nie jest zatem i nie będzie nigdy trywialne.

Robotyczna pazurnica z Korei ma długą – nazwijmy to ideową – przeszłość. Sztuczne systemy kontroli adhezji tradycyjnie były inspirowane skutecznymi strategiami naturalnych organizmów, takich jak białka małży, stópki gekona pokryte cudownymi plisami, włoski na stopach chrząszczy czy wreszcie przyssawki ramion ośmiornicy. Starano się ostatnio wykorzystywać głównie mechanizmy nie oparte na zjawiskach chemicznych, lecz fizycznych, jako łatwiejsze w obsłudze, szybsze i nieszkodliwe. Zwłaszcza że adhezja chemiczna wiąże się z dużym zużyciem energii na oderwanie – a to jest niezbędne, jeśli ma być ruch. Aby takie rozwiązania napędzać, wykorzystywano odwracalne kontrolowanie źródeł energii, takich jak światło, ciepło, pole magnetyczne i ciśnienie.

Duży wprawdzie może więcej, ale małe jest piękne, jak pouczają poeci. Wspomniany system robota adhezyjnego, inspirowany funkcjonowaniem odnóży pazurnicy z ich wydzielinami, wykorzystuje ustrukturyzowany materiał magnetoreologiczny, czyli substancję zasadniczo ciekłą, choć gęstą, bo złożoną z drobin ferromagnetyku (od 1 do 10 μm średnicy), zdolnych do spontanicznego namagnesowania się. Pod wpływem silnych pól magnetycznych lepkość dynamiczna tej cieczy ulega drastycznym zmianom, czyli w określonych warunkach pola magnetycznego jest to kleisty żel, w innych rodzaj zolu, jeszcze kiedy indziej całkiem twarde i zupełnie nielepkie ciało stałe.

Czytaj więcej

Nowe technologie

Co mówią kury? Naukowcy opracowali tłumacza, użyli sztucznej inteligencji

Naukowcy z japońskiego uniwersytetu wykorzystali sztuczną inteligencję do stworzenia systemu, który - jak twierdzą - jest w stanie odczytywać intencje kryjące się za gdakaniem kur i rozróżniać stany emocjonalne u tych ptaków.

To jest na osobną opowieść, jakie nowoczesne materiały, zwane inteligentnymi, mają dziś w swych rękach inżynierowie. Koreańska robopazurnica wykazuje w każdym razie precyzyjną, stabilną i powtarzalną kontrolę przyczepności dzięki szybkiej zmianie sztywności odnóży, kontrolowanej przez zewnętrzne pole magnetyczne.

Stworzony prototyp, zbudowany jak na pazurnicę przystało z pierścieniowych modułów, tu zwanych elastomerami, zdolny był do poruszania się w miękkich i mokrych organach ssaka, do wspomnianego już odkręcania nakrętki ze śruby oraz wspierał realną operację usuwania guza u myszy.

Dżdżownica z Genui dotrze do zasypanych

Historia tego typu robotów inspirowanych zwierzętami, które osiągnęły niekwestionowany sukces ewolucyjny, nie jest długa. W marcu 2023 r. zespół badawczy z Istituto Italiano di Tecnologia w Genui należący do grupy pod jakże wymowną nazwą BioInspired Soft, koordynowanej przez prof. Barbarę Mazzolai, opracował miękki siłownik perystaltyczny (PSA), który realizuje antagonistyczne ruchy: najpierw się wydłuża, gdy powietrze jest do niego pompowane, i ściska się, gdy powietrze jest z niego usuwane. Każdy PSA ma elastyczną powłokę, która okrywa stałą objętość wewnętrzną, dokładnie tak, jak to ma miejsce u dżdżownic. Może się maksymalnie wydłużyć o 10,97 mm przy 1 barze nadciśnienia i maksymalnie ścisnąć o 11,13 mm przy 0,5 bara podciśnienia.

Robotyczna włoska dżdżownica ma jedynie pięć metamerów (modułów PSA) i miękkie łączniki między nimi, niczym w przegubowym autobusie. Prototyp ma 45 cm długości i waży 605 (to nie takie dziwne, na świecie istnieją dżdżownice nawet i jednometrowe o średnicy 2 cm), a na „brzusznej” stronie ma przymocowane specjalne podkładki cierne przypominające szczecinki skąposzczetów. Nie wylezie wprawdzie z ziemi pod wpływem deszczu, ale potrafi drążyć… niejeden temat i w niejednym gruncie, choć jest beznoga, jak to zwykle pierścienice-skąposzczety.

Jak donosili wtedy na łamach „Scientific Reports” włoscy uczeni, inspirowany biologią dżdżownic robot jest w stanie poruszać się dzięki miękkim siłownikom, które wydłużają się lub ściskają. Czy zaskoczę, gdy powiem, że to dopiero zainteresowanie dżdżownicami przez specjalistów od robotyki (a nie stulecia badań zoologów) zaowocowało pełnym zrozumieniem, jak też ta pierścienica się właściwie porusza, zarówno pełznąc po powierzchni, jak i ryjąc w glebie.

Aby się przemieszczać, dżdżownice wykorzystują naprzemienne skurcze odrębnych warstw mięśni swojego wora skórno-mięśniowego, co generuje wsteczne fale perystaltyczne. Poszczególne segmenty ich ciała (metamery) mają określoną objętość, a zatem ilość wewnętrznego płynu, który kontroluje ciśnienie wewnętrzne, aby wywierać stosowne siły i wykonywać niezależne, zlokalizowane i zmienne wzorce ruchu. Rozmieszczone w zależności od gatunku w różny sposób na każdym pierścieniu krótkie i nieliczne szczecinki, wspierają przyczepność i poruszanie się.

Czytaj więcej

Globalne Interesy

To miejsce to szklana kula technologii. Oto co szykują nam światowe koncerny

Ruszają największe targi elektroniki użytkowej CES 2025 w Las Vegas. Giganci technologii i innowatorzy pokażą, jakie rozwiązania, poza AI, mogą podbić świat. W tym gronie są i Polacy.

Temu właśnie zjawisku najpierw miesiącami z uwagą przyglądano się w Genui. Bo czasem, gdy ktoś wpadnie do jamy czy jaskini lub ziemnego dołu albo nad kimś się ziemia czy śnieg osuną, taka robotyczna dżdżownica będzie jak znalazł. Przeciskając się przez szczeliny i ryjąc, dostarczy na miejsce tuż obok ofiary wypadku kamerę noktowizyjną, wodę pitną etc. Pomoże precyzyjnie namierzyć poszkodowanego, będzie oczami, uszami i przedłużeniem rąk ratowników.

Skolopendra śmiga po wybojach, glon zjada plastik

Czasem jednak trzeba, by robot maszerował stabilnie jak… skolopendra. Choćby, aby będąc pożytecznym robotem, odchwaszczać pola, gdzie po orce, a nawet zbronowaniu grudy ziemi są problemem, a herbicydami nie chcemy, lepsza bowiem robotyczna skolopendra na polu niż chemiczna trucizna w jedzeniu.

W tymże marcu 2023 r. na łamach prestiżowego czasopisma naukowego „PNAS” ukazała się praca uczonych z GeorgiaTech pod kierunkiem prof. Daniela Goldmana opisująca najpierw matematyczną teorię, po czym prototyp urządzenia, które bez żadnej sieci czujników i kamer „ogarnia” poruszanie się po grudach i wybojach.

My ludzie przyjęliśmy postawę wyprostowaną, jakże wymagającą i niestabilną (kto nie zwichnął stopy choć raz w życiu, niech rzuci kamieniem) i poruszamy się na kończynach tylnych, by uwolnić ręce, aby trzymały narzędzia czy broń nawet wtedy, gdy biegniemy. Zespół z Atlanty opracował natomiast teorię poruszania się na wielu nogach, która przewidywała, że poruszające się w ten sposób masy (np. roboty) nie będą wymagały żadnych dodatkowych czujników czy technologii sterowania, by iść po nierównym gruncie czy wyboistym terenie.

Robotyczna skolopendra to potrafi. Pytanie nie brzmiało tutaj: jak poruszać 16 nogami robota (tyle ich ma ostatecznie prototyp), aby on się nie przewrócił, tylko co się dzieje, gdy robot ma cztery, sześć, osiem i więcej nóg. Fizycy teoretycy zadali je w swoim języku: „czy redundancja (nadmiarowość) może być pomocna w transporcie materii”.

Czytaj więcej

Technologie

Miliony robotów. Ta firma sprawi, że będą bardziej ludzkie i delikatne

Większość humanoidalnych robotów potrafi już zgrabnie i bardziej subtelnie naśladować ludzi. Teraz czas na przemianę robotów z fabryk.

A co, jeśli trzeba odłowić z wody mikroskopijne grudki czy mikrowłókienka plastiku? Jakże groźne dla naszego zdrowia i znajdowane dziś dosłownie wszędzie? Od lat pięćdziesiątych XX wieku na świecie wyprodukowano 6,3 mld ton odpadów z tworzyw sztucznych, z których 91 proc. nigdy nie zostało poddane recyklingowi, zatem w światowych wodach pływa blisko 150 mln ton plastikowych odpadów, a w 2040 roku będzie to już 600 mln ton. Znów potrzeba robota, tylko on też musi być mikroskopijny. I najlepiej, żeby był… żywy, a jednak sterowalny. Czy da się tak sterować działaniem żywych komórek? Wszak w zbiornikach wodnych roi się od jednokomórkowych stworzeń, które – by przeżyć – nic innego nie robią, tylko żrą – a dokładnie, biologicznie rzecz ujmując – fagocytują drobinki zawieszone w wodzie.

W październiku 2023 r. czasopismo naukowe „Advanced Functional Materials” poinformowało nas o udanym podejściu do tego zagadnienia przez czeskich specjalistów z Future Energy and Innovation Laboratory znajdującego się w Środkowoeuropejskim Instytucie Technologicznym zlokalizowanym w Brnie. Zdołali oni połączyć dwa światy. Z jednej strony magnetycznych właściwości niegroźnego dla środowisk wodnych i taniego jak barszcz czy raczej rdza tlenku żelaza (Fe3O4) oraz protistów czy glonów zdolnych do pochłaniania takich magnetycznych nanocząstek i stawania się sterowalnymi za pomocą pola magnetycznego robotami. Rzecz cała działa dlatego, że na powierzchni komórek wykorzystywanych tu jednokomórkowców znajdują się liczne ujemnie naładowane grupy karboksylowe (-COOH), a liczne mikro-/nanotworzywa sztuczne niosą dodatni ładunek powierzchniowy. Na drodze zatem przyciągania elektrostatycznego dochodzi do kontaktu między nano- i mikroplastikiem a komórkami, następnie zaś do fagocytozy – czyli pożarcia plastiku przez glony. Zanim biedne algi padną od tego na niestrawność, deponując pochłonięty, acz niestrawny plastik, znów w wodzie, należy je odłowić, dzięki temu samemu polu magnetycznemu, dzięki któremu były sterowane ku „plamie nanoplastiku” unoszącej się w wodzie.