Trąby słoni pomogą rozwiązać dylemat wytrzymałości i elastyczności w tradycyjnej robotyce
Trąba słonia jest mocna, a przy tym delikatna – jej gruba, pomarszczona skóra jest wytrzymała i niezwykle wrażliwa na dotyk. Pozwala słoniom odczuwać tekstury, siły i kształty podczas manipulowania przedmiotami. Elastyczny ruch i zmysł dotyku współpracują ze sobą, tak aby zwierzę mogło wykonywać zadania związane z chwytaniem bez konieczności posiadania przegubów. Przekładając tę zasadę naturalnej konstrukcji na język robotyki miękkiej, badacze z finansowanego przez UE projektu PROBOSCIS(odnośnik otworzy się w nowym oknie) postawili sobie za cel zrewolucjonizowanie sposobu, w jaki roboty obsługują obiekty, poprzez stworzenie systemów inspirowanych naturalną zręcznością, zdolnością adaptacji i odpornością.
Jak znajomość mechaniki trąby pomaga w projektowaniu robotów
W rezerwacie Adventures with Animals w RPA badacze ściśle współpracowali z tresowanymi słoniami, aby zbadać, jak ich trąby radzą sobie z przedmiotami o różnych kształtach i wadze. Zespół z Uniwersytetu Genewskiego wykorzystał technologię rejestracji ruchu(odnośnik otworzy się w nowym oknie), aby śledzić precyzyjne ruchy trąb. We Włoszech w ZooSafari w Fasano, badacze z Istituto Italiano di Tecnologia (IIT)(odnośnik otworzy się w nowym oknie) oraz Scuola Superiore Sant'Anna mierzyli siłę chwytu) przy użyciu specjalnie zaprojektowanych obiektów i analizowali zachowanie trąby podczas sięgania. Badania te były prowadzone we współpracy z opiekunami słoni, by odpowiednio zadbać o dobrostan zwierząt. Aby lepiej zrozumieć strukturę i skomplikowaną anatomię trąby, badacze wykonali obrazowanie o wysokiej rozdzielczości i analizę tkanek trąb pochodzących od zmarłych w sposób naturalny słoni z zoo w Zurychu. Zainspirowany tymi odkryciami zespół IIT opracował sztuczne mięśnie, elastyczne siłowniki i skórę reagującą na dotyk dla ramienia robotycznego. Zespół z Uniwersytetu Hebrajskiego w Jerozolimie zaprojektował materiały funkcjonalne(odnośnik otworzy się w nowym oknie) do drukowania komponentów przypominających piankę w małej skali, podczas gdy partner MŚP, Photocentric, zastosował udoskonalone techniki druku 3D do wielkoskalowej produkcji miękkich komponentów dla robota.
Większa elastyczność przy mniejszej liczbie komponentów
„Ostatecznie opracowaliśmy lekkie, miękkie ramię robotyczne o długości prawie jednego metra, które może zginać się, skręcać i zwijać, aby chwytać przedmioty, owijając się wokół nich. Osiągnęliśmy ten cel za pomocą zaledwie kilku siłowników, naśladując zdolność słonia do wykonywania złożonych ruchów z użyciem prostych strategii”, zauważa koordynatorka projektu Lucia Beccai. W przeciwieństwie do najnowocześniejszych ramion ciągłych, które często borykają się z takimi problemami, jak mechaniczne nieciągłości lub wyzwania związane z równoważeniem ciężaru ze sztywnością strukturalną (szczególnie w większych skalach), nowa konstrukcja rozwiązuje te problemy. Wyzwania te tłumaczą też, dlaczego duże ramiona ciągłe wciąż nie zdobyły popularności w zastosowaniach przemysłowych.
Co sprawia, że trąba słonia jest idealnym modelem dla robotyki?
Zespół z Genewy stworzył mapę złożonego rozmieszczenia mięśni w trąbie słonia, pokazując, w jaki sposób kontrolują one tę precyzyjną strukturę. „Słonie ułatwiają sobie zadanie, usztywniając część trąby, by kierować ruchem. Wygląda na to, że w dystalnej części trąby siła wywierana na obiekt jest precyzyjnie regulowana”, wyjaśnia Beccai. Skóra trąby składa się z różnych warstw, które zapewniają wytrzymałość, elastyczność i ochronę, a jednocześnie pozostaje bardzo wrażliwa. Cechy te wyjaśniają w jaki sposób trąba łączy w sobie siłę i delikatność, co czyni ją idealnym modelem dla robotyki. Badanie wykazało również, że słonie wykorzystują spójne, powtarzalne wzorce ruchowe oraz dotykowe sprzężenie zwrotne do skutecznej interakcji z otoczeniem. Stało się to inspiracją do opracowania strategii sterowania, dzięki którym roboty mogą wykrywać i manipulować obiektami w sposób bardziej intuicyjny i adaptacyjny.
Miękka robotyka rewolucjonizuje różne branże
Rozwiązania zaproponowane przez twórców projektu PROBOSCIS są obiecujące w kontekście projektowania zaawansowanych, uniwersalnych chwytaków do różnych zastosowań, m.in. w produkcji, ochronie zdrowia i operacjach ratowniczych. „W przyszłości miękkie, adaptacyjne manipulatory mogłyby manipulować różnymi obiektami podczas produkcji, w tym przedmiotami odkształcalnymi, a w przetwórstwie żywności mogłyby delikatnie sortować i oceniać owoce i warzywa bez narażania ich na uszkodzenia”, wyjaśnia Beccai. „W opiece zdrowotnej mogłyby pomagać osobom starszym lub z niepełnosprawnościami w wykonywaniu zadań, takich jak podnoszenie lub przenoszenie przedmiotów. Wreszcie, w misjach ratunkowych roboty te mogłyby usuwać gruz, wykrywać ofiary i działać w trudnych warunkach, takich jak dym lub mrok, gdzie tradycyjne systemy zawodzą”.
