Roboty jak trąba słonia. Elastyczne maszyny potrafią się łączyć i współpracować
Naukowcy z Uniwersytetu Stanowego Kolorado stworzyli TeCoBots – rurkowate roboty wykonane z konstrukcji tensegralnej, które mogą się swobodnie wyginać i łączyć w roje.
Dotychczasowa robotyka modułowa borykała się z poważnym ograniczeniem: większość systemów zdolnych do dokowania i układania się w nowe konfiguracje budowano ze sztywnych bloków, co znacząco zawężało ich zakres ruchów.
Zespół z Wydziału Inżynierii Mechanicznej Uniwersytetu Stanowego Kolorado (CSU), kierowany przez prof. Jianguo Zhao, dokonał przełomu. Efektem prac są TeCoBots – rurkowate maszyny pozbawione tradycyjnych przegubów.
Jak podaje magazyn „Nature Machine Intelligence”, kluczem do niezwykłej plastyczności nowych robotów jest konstrukcja tensegralna. Sztywne pręty nie stykają się w niej na stałe, lecz są utrzymywane w odpowiedniej pozycji przez sieć napiętych linek.
Dzięki temu korpus maszyny może się swobodnie wyginać, zapadać i płynnie zmieniać kształt – dokładnie tak, jak robi to macka ośmiornicy lub trąba słonia. Na obu końcach każdego modułu umieszczono precyzyjne chwytaki służące zarówno do manipulowania obiektami, jak i do szczepiania się z robotem-partnerem.
Zastąpienie stosowanych dotąd magnesów mechanicznymi chwytakami wyeliminowało problem rozłączania się elementów i zmniejszyło ryzyko ich niewspółosiowego połączenia.
Konstrukcja i zastosowanie
Pojedynczy TeCoBot potrafi działać samodzielnie: owija się wokół przedmiotów o różnych wymiarach lub porusza się po nierównym podłożu niczym wąż. W grupie moduły układają się w łańcuchy, pętle i rozgałęzienia, by wspólnie przenosić cięższe ładunki oraz pokonywać wyrwy w podłożu.
Stworzenie tak elastycznej konstrukcji wymagało pokonania szeregu barier inżynieryjnych. Doktorant Mahmud Hasan Saikot wskazuje, że jednym z najtrudniejszych problemów projektowych był dobór odpowiednich silników. Napędy musiały być wystarczająco małe, aby pozwalały na pełen zakres ruchów elastycznego korpusu, a zarazem mocne i niezawodne podczas długotrwałej pracy.
Obecnie roboty są jeszcze pilotowane przez człowieka, ale zespół w czasie badań udowodnił już, że dwie jednostki potrafią samodzielnie się odnaleźć i połączyć.
W przyszłości możemy sobie wyobrazić w większości autonomiczne zespoły liczące dziesiątki, a nawet setki takich robotów, połączonych ze sobą za pomocą szczypiec, które przemieszczają się w wybrane miejsce, a następnie rozmieszczają się, by wykonać określone zadanie.
Otwarta technologia
Naukowcy udostępnili już oprogramowanie sprzętowe (firmware) oraz kod odpowiedzialny za autonomiczne dokowanie wizualne na licencji open source, co ma przyspieszyć rozwój tej technologii.
Zdaniem twórców, TeCoBots mogą znaleźć zastosowanie w produkcji, eksploracji kosmosu oraz trudnych akcjach poszukiwawczo-ratowniczych. Kolejne cele badaczy to szybszy ruch maszyn, ich pełna autonomia oraz zdolność do współpracy z ludźmi.
Wężowe roboty w świecie
Projekt z Kolorado wpisuje się w szerszy trend budowy elastycznych robotów inspirowanych naturą, które coraz śmielej wkraczają do najbardziej wymagających sektorów.
Przykładem jest opracowywany przez Laboratorium Napędów Odrzutowych NASA czterometrowy, dziesięciosegmentowy robot-wąż EELS (Exobiology Extant Life Surveyor), planowany na misję na Enceladusa (skuty lodem księżyc Saturna). Autonomiczna maszyna wyposażona w kamery i czujniki ma przedostać się przez wąskie szczeliny lodowe do ukrytych pod powierzchnią oceanów, by pobierać próbki wody, badać cechy hydrogeologiczne globu oraz szukać śladów życia.
Równie zaawansowane wężowe konstrukcje pracują już w przemyśle naftowym i gazowym, gdzie sześciometrowy robot Eelume strzeże podmorskiej infrastruktury, przebywając w stacji dokującej na głębokości do 500 metrów przez pół roku bez wynurzania. Maszyna pokonuje do 20 km, utrzymuje pozycję w silnych prądach morskich i samodzielnie wymienia części korpusu – od narzędzi do obsługi zaworów po szczotki czyszczące rury, co pozwala zaoszczędzić setki tysięcy dolarów względem operacji prowadzonych ze statków z pełną załogą.
W medycynie rewolucję w ciągu najbliższej dekady zapowiada natomiast zdalnie sterowany, pięciometrowy robot COBRA o średnicy ołówka (9 mm), stworzony przez zespół prof. Dragosa Axinte z Uniwersytetu w Nottingham. Urządzenie zaprojektowane pierwotnie do naprawy silników odrzutowych i elektrowni jądrowych ma trafiać do szpitali. Cel? Wsparcie przy chirurgii raka gardła oraz chirurgii urazowej, gdzie jego zdolność do prześlizgiwania się przez ciasne zakręty ludzkiego organizmu ograniczy cięcie tkanek.
Powiązane
