Bioinspireeritud robotite ehitamine: looduse jäljendamine täiustatud robootikas

Sajandeid on inimesed otsinud inspiratsiooni loodusest. Alates Leonardo da Vinci lindude lennul põhinevatest lennumasinatest kuni moodsate takjapaelteni, mis on inspireeritud takjatest, pakub loodus rikkalikult uuenduslikke lahendusi. See inspiratsioon laieneb ka robootikale, andes tõuke bioinspireeritud robootika valdkonnale, tuntud ka kui biomimikri robootikas. Selle valdkonna eesmärk on kavandada ja ehitada roboteid, mis jäljendavad elusorganismide liikumist, tunnetust ja käitumist. See lähenemine võimaldab inseneridel luua roboteid, mis on võimelised navigeerima keerulistes keskkondades, sooritama keerukaid ülesandeid ning suhtlema maailmaga uutel ja tõhusatel viisidel.

Mis on bioinspireeritud robootika?

Bioinspireeritud robootika on interdistsiplinaarne valdkond, mis ühendab bioloogia, inseneriteaduse ja arvutiteaduse. See hõlmab bioloogiliste süsteemide struktuuri ja funktsiooni uurimist ning seejärel selle teadmise kasutamist robotite kavandamiseks ja ehitamiseks, mis suudavad neid süsteeme jäljendada. Põhiprintsiip on looduslike lahenduste aluspõhimõtete eraldamine ja nende rakendamine robotite disainis.

Erinevalt traditsioonilisest robootikast, mis tugineb sageli jäikadele struktuuridele ja eelprogrammeeritud liikumistele, on bioinspireeritud robotid tavaliselt loodud olema paindlikud, kohanemisvõimelised ja energiatõhusad. Nad sisaldavad sageli täiustatud materjale, andureid ja täitureid, et jäljendada elusorganismide keerukaid liikumisi ja sensoorseid võimeid. See on eriti kasulik valdkondades, kus traditsioonilised robotid on hädas, näiteks ebatasasel maastikul navigeerimine või segastes keskkondades tegutsemine.

Miks bioinspiratsioon? Eelised ja rakendused

Bioinspireeritud robootika pakub traditsioonilise robootika ees mitmeid eeliseid, sealhulgas:

• Kohanemisvõime: Bioloogilised süsteemid on väga kohanemisvõimelised muutuvate keskkondadega. Bioinspireeritud roboteid saab kujundada nii, et neil oleks sarnane kohanemisvõime, mis võimaldab neil tõhusalt toimida mitmesugustes tingimustes.
• Tõhusus: Evolutsioon on optimeerinud bioloogilisi süsteeme energiatõhususe saavutamiseks. Bioinspireeritud roboteid saab konstrueerida nii, et nad tarbiksid vähem energiat kui traditsioonilised robotid, mis muudab nad sobivaks pikaajalisteks missioonideks.
• Manööverdusvõime: Paljud bioloogilised organismid näitavad märkimisväärset manööverdusvõimet, eriti keerulistes keskkondades. Bioinspireeritud roboteid saab konstrueerida neid liikumisi jäljendama, võimaldades neil navigeerida keerulistel maastikel ja ruumides.
• Uudsed lahendused: Loodus pakub sageli lahendusi inseneriprobleemidele, mida inimesed pole veel välja mõelnud. Bioinspireeritud robootika võib viia täiesti uute robotidisainide ja -võimaluste väljatöötamiseni.

Need eelised muudavad bioinspireeritud robotid sobivaks paljude rakenduste jaoks, sealhulgas:

Otsing ja pääste

Robotid, mis suudavad navigeerida varisenud hoonetes või üleujutatud aladel, on otsingu- ja päästeoperatsioonide jaoks üliolulised. Bioinspireeritud robotid, nagu maolaadsed robotid või putukatest inspireeritud lendavad robotid, pääsevad ligi aladele, mis on inimestele liiga ohtlikud või kättesaamatud.

Näide: Carnegie Melloni ülikoolis arendatud maorobot suudab navigeerida läbi rusude ja prahi, et leida ellujäänuid katastroofipiirkondades. Need robotid jäljendavad madude lainelisi liigutusi, mis võimaldab neil pugeda läbi kitsaste avade ja ronida üle takistuste.

Keskkonnaseire

Keskkonnatingimuste, näiteks veekvaliteedi või õhusaaste, jälgimine nõuab sageli roboteid, mis suudavad tegutseda karmides või kaugetes keskkondades. Bioinspireeritud veealused robotid, näiteks kalalaadsed robotid, saavad tõhusalt patrullida suuri veekogusid, samas kui putukatest inspireeritud lendavad robotid saavad jälgida õhukvaliteeti linnapiirkondades.

Näide: MIT teadlased on välja töötanud robotkalad, mis suudavad ookeanis iseseisvalt ujuda, kogudes andmeid vee temperatuuri, soolsuse ja reostustasemete kohta. Need robotid on loodud olema energiatõhusad ja märkamatud, minimeerides nende mõju merekeskkonnale.

Meditsiiniline robootika

Bioinspireeritud robotid saavad teostada minimaalselt invasiivseid operatsioone, toimetada ravimeid keha sihtpiirkondadesse ja abistada taastusravis. Putukatest inspireeritud mikroroboteid võiks näiteks ühel päeval kasutada veresoontes navigeerimiseks, et toimetada ravimeid otse kasvajatesse.

Näide: Kaheksajala kombitsatest inspireeritud pehmeid roboteid arendatakse minimaalselt invasiivse kirurgia jaoks. Need robotid suudavad kohanduda siseorganite kujuga, võimaldades kirurgidel pääseda raskesti ligipääsetavatesse piirkondadesse minimaalse koekahjustusega.

Tootmine ja ülevaatus

Loomadest, näiteks sipelgatest inspireeritud roboteid, kes suudavad tõhusalt koostööd teha, saab kasutada täiustatud koosteliinide protsessides. Sülemrobootika, bioinspireeritud robootika alavaldkond, suudab optimeerida esemete liikumist koosteliinidel, vähendades jäätmeid ja parandades üldist töövoogu.

Näide: Jaotatud robotisüsteeme kasutatakse laoseadetes sarnaselt sellele, kuidas sipelgad organiseerivad ülesandeid kollektiivse tõhususe saavutamiseks. Üksikud robotid teevad koostööd, et täita saadetiste tellimusi kiiremini ja täpsemini kui ainult inimtööjõule või tsentraalselt juhitavatele süsteemidele tuginedes.

Põllumajandus

Robootikat saab kasutada põllukultuuride tervise jälgimiseks, umbrohu tuvastamiseks ja väetiste täpseks laotamiseks. Vihmausse meenutavad robotid saavad õhutada mulda, parandada selle drenaaži ja suurendada toitainete kohaletoimetamise tõhusust, aidates seeläbi kaasa suuremale saagikusele ja vähenenud keemilisele sõltuvusele.

Näide: Põllumajandusrobotid on varustatud andurite ja pilditehnoloogiaga, mis võimaldab reaalajas hinnata põllukultuuride tervislikku seisundit. Selle teabe põhjal saavad robotisüsteemid autonoomselt rakendada sihipäraseid ravimeetodeid, mis minimeerivad keskkonnamõju.

Bioinspireeritud disainide põhiprintsiibid ja näited

Bioinspireeritud robotidisainis kasutatakse tavaliselt mitmeid põhiprintsiipe:

Liikumine

Loomade liikumise jäljendamine on bioinspireeritud robootika keskne teema. Teadlased uurivad erinevate loomade kõnnakuid ja liikumisi, et arendada roboteid, mis suudavad tõhusamalt kõndida, joosta, ujuda või lennata.

• Kõndivad robotid: Inspireerituna neljajalgsetest nagu koerad ja hobused, on kõndivad robotid loodud navigeerima ebatasasel maastikul ja säilitama stabiilsust. Boston Dynamics'i Spot on suurepärane näide neljajalgsest robotist, mis suudab kõndida, joosta ja trepist üles ronida.
• Ujuvad robotid: Kalalaadsed robotid on loodud jäljendama kalade lainelisi liigutusi, mis võimaldab neil tõhusalt ujuda ja manööverdada keerulistes veealustes keskkondades. Need robotid kasutavad tõukejõu tekitamiseks sageli painduvaid uimi või lainetavaid kehasid.
• Lendavad robotid: Putukatest inspireeritud lendavad robotid on loodud jäljendama putukate tiibade lehvitamist, mis võimaldab neil hõljuda, manööverdada kitsastes kohtades ja kanda väikeseid koormaid. Need robotid kasutavad stabiilse lennu saavutamiseks sageli kergeid materjale ja täiustatud juhtimisalgoritme.
• Maorobotid: Maorobotid jäljendavad madude liikumist. Nad suudavad navigeerida kitsastes ruumides, ronida üle takistuste ja neid kasutatakse sageli otsingu- ja päästetöödel ning tööstuslikul ülevaatusel.

Tunnetus

Bioloogilistel organismidel on lai valik sensoorseid võimeid, sealhulgas nägemine, kuulmine, haistmine ja kompimine. Bioinspireeritud roboteid saab varustada anduritega, mis jäljendavad neid võimeid, võimaldades neil keskkonda tajuda ja sellega suhelda nüansirikkamatel viisidel.

• Nägemine: Bioinspireeritud nägemissüsteemid võivad jäljendada inimsilma struktuuri ja funktsiooni, võimaldades robotitel objekte tuvastada ja jälgida, nägusid ära tunda ja keerulistes keskkondades navigeerida. Sündmuskaameraid, mis on inspireeritud sellest, kuidas bioloogilised silmad visuaalset teavet töötlevad, kasutatakse kiire robootika puhul.
• Kuulmine: Bioinspireeritud kuulmissüsteemid võivad jäljendada inimkõrva struktuuri ja funktsiooni, võimaldades robotitel heliallikaid lokaliseerida, kõnet ära tunda ja keskkonnas peeneid muutusi tuvastada.
• Haistmine: Bioinspireeritud haistmissüsteemid võivad jäljendada haistmismeelt, võimaldades robotitel tuvastada ja identifitseerida keemilisi aineid õhus või vees. Neid süsteeme saab kasutada keskkonnaseireks, turvalisuseks ja meditsiiniliseks diagnostikaks.
• Kompimine: Bioinspireeritud taktiilsed andurid võivad jäljendada kompimismeelt, võimaldades robotitel tunda objektide kuju, tekstuuri ja temperatuuri. Neid andureid saab kasutada manipuleerimiseks, monteerimiseks ja inim-roboti interaktsiooniks.

Täiturid

Täiturid on roboti lihased, mis tagavad ülesannete täitmiseks vajaliku jõu ja liikumise. Bioinspireeritud täiturid võivad jäljendada bioloogiliste lihaste struktuuri ja funktsiooni, võimaldades robotitel liikuda sujuvamalt, tõhusamalt ja võimsamalt.

• Pneumaatilised täiturid: Inspireerituna sellest, kuidas lihased kokku tõmbuvad ja laienevad, kasutavad pneumaatilised täiturid jõu tekitamiseks suruõhku. Need täiturid on kerged, paindlikud ja suudavad genereerida suuri jõude.
• Hüdraulilised täiturid: Sarnaselt pneumaatilistele täituritele kasutavad hüdraulilised täiturid jõu tekitamiseks survestatud vedelikku. Need täiturid on võimsamad kui pneumaatilised täiturid ja neid saab kasutada raskeveokite rakendustes.
• Elektroaktiivsed polümeerid (EAPd): EAPd on materjalid, mis muudavad kuju või suurust elektrivälja mõjul. Neid materjale saab kasutada kunstlihaste loomiseks, mis on kerged, paindlikud ja energiatõhusad.
• Kujumäluga sulamid (SMAd): SMAd on materjalid, mis võivad kuumutamisel naasta eelnevalt määratletud kuju juurde. Neid materjale saab kasutada kompaktsete, võimsate ja usaldusväärsete täiturite loomiseks.

Bioinspireeritud robootika tulevik

Bioinspireeritud robootika on kiiresti arenev valdkond, millel on potentsiaal revolutsioneerida paljusid meie elu aspekte. Kuna meie arusaam bioloogilistest süsteemidest pidevalt kasvab, võime tulevikus oodata veelgi keerukamaid ja võimekamaid bioinspireeritud roboteid.

Mõned peamised suundumused bioinspireeritud robootikas hõlmavad:

Täiustatud materjalid

Uute, täiustatud omadustega materjalide, näiteks kergete komposiitide, painduvate polümeeride ja iseparanevate materjalide väljatöötamine võimaldab luua vastupidavamaid ja kohanemisvõimelisemaid bioinspireeritud roboteid.

Tehisintellekt (AI) ja masinõpe (ML)

AI ja ML mängivad bioinspireeritud robootikas üha olulisemat rolli, võimaldades robotitel kogemustest õppida, muutuvate keskkondadega kohaneda ja autonoomseid otsuseid teha. ML-algoritme saab kasutada roboti juhtimise optimeerimiseks, andurite jõudluse parandamiseks ja uute robotkäitumiste arendamiseks.

Sülemrobootika

Sülemrobootika hõlmab suure hulga lihtsate robotite koordineerimist keerukate ülesannete täitmiseks. Inspireerituna putukate ja teiste sotsiaalsete loomade kollektiivsest käitumisest, pakub sülemrobootika skaleeritavat ja vastupidavat lähenemist keeruliste probleemide lahendamiseks. Need süsteemid võivad olla kasulikud keskkondade kaardistamisel, ressursside otsimisel ja jaotatud ülesannete täitmisel.

Pehme robootika

Pehme robootika keskendub painduvate ja deformeeruvate materjalide abil robotite projekteerimisele ja ehitamisele. Inspireerituna pehmete kehadega loomadest nagu kaheksajalad ja ussid, saavad pehmed robotid kohanduda oma keskkonna kujuga, navigeerida kitsastes ruumides ja ohutult suhelda inimestega. Need robotid sobivad eriti hästi meditsiinilisteks rakendusteks, tootmiseks ja uurimistööks.

Väljakutsed bioinspireeritud robootikas

Vaatamata oma tohutule potentsiaalile seisab bioinspireeritud robootika silmitsi mitmete väljakutsetega:

• Keerukus: Bioloogilised süsteemid on uskumatult keerulised ning nende struktuuri ja funktsiooni kopeerimine robotis on märkimisväärne insenertehniline väljakutse.
• Materjalid: Materjalide arendamine, mis suudavad jäljendada bioloogiliste kudede omadusi, nagu paindlikkus, tugevus ja iseparanemisvõime, on suur uurimisvaldkond.
• Juhtimine: Bioinspireeritud robotite liikumiste ja käitumise juhtimine võib olla keeruline, eriti paljude vabadusastmetega robotite puhul. Täpsete ja koordineeritud liikumiste saavutamiseks on vaja täiustatud juhtimisalgoritme ja andurite liitmise tehnikaid.
• Energiatõhusus: Energiatõhusate bioinspireeritud robotite projekteerimine on pikaajaliste missioonide jaoks ülioluline. Täiturite, andurite ja juhtimissüsteemide disaini optimeerimine on energiatarbimise minimeerimiseks hädavajalik.
• Eetilised kaalutlused: Kuna bioinspireeritud robotid muutuvad keerukamaks, on oluline arvestada nende kasutamise eetiliste tagajärgedega. Küsimusi nagu autonoomia, ohutus ja privaatsus tuleb hoolikalt käsitleda.

Bioinspireeritud robotite näited üle maailma

Üle kogu maailma arendatakse uuenduslikke bioinspireeritud roboteid. Siin on mõned näited:

• Euroopa: Euroopa Liidu programm Horisont 2020 on rahastanud mitmeid bioinspireeritud robootikaprojekte, sealhulgas putukatest inspireeritud lendavate robotite ja meditsiiniliste rakenduste jaoks mõeldud pehmete robotite uurimist. Itaalias arendatakse kaheksajala kombitsatest inspireeritud robotit OctoArm, mis on mõeldud haaramiseks ja manipuleerimiseks keerulistes keskkondades.
• Aasia: Jaapanis arendatakse maolaadseid roboteid otsingu- ja päästeoperatsioonideks ning humanoidroboteid, mis jäljendavad inimeste liikumisi eakate hoolduseks ja abitehnoloogiateks.
• Põhja-Ameerika: Ameerika Ühendriikides on käimas uuringud neljajalgsete robotite kohta sõjalisteks ja tööstuslikeks rakendusteks, samuti veealuste robotite kohta ookeanide uurimiseks. MIT Cheetah robot on tuntud oma jooksmiskiiruse ja agiilsuse poolest.
• Austraalia: Teadlased töötavad robotite kallal, mis on loodud aitama bioloogilise mitmekesisuse majandamisel, nagu näiteks James Cooki ülikooli Starbug robot, mida kasutatakse okaskroon-meritähe tapmiseks, mis on Suure Vallrahu suur oht.

Kokkuvõte

Bioinspireeritud robootika on kiiresti kasvav valdkond, mis pakub tohutut lootust maailma kõige pakilisemate väljakutsete lahendamiseks. Jäljendades looduses leiduvaid geniaalseid lahendusi, loovad insenerid roboteid, mis on kohanemisvõimelisemad, tõhusamad ja võimekamad kui kunagi varem. Kuna teadus- ja arendustegevus selles valdkonnas jätkuvalt edeneb, võime oodata lähiaastatel veelgi uuenduslikumaid ja mõjukamaid bioinspireeritud roboteid. Robootika tulevik on kahtlemata põimunud loodusega ja võimalused on tõeliselt piiramatud.

Olgu tegemist otsingu ja päästmise, keskkonnaseire, meditsiiniliste protseduuride või tootmisprotsessidega, biomimikri põhimõtted on seatud uuesti määratlema piire, mida robotid suudavad saavutada. Selle lähenemisviisi omaksvõtmine tagab, et disainid ei ole mitte ainult uuenduslikud, vaid ka harmoonias loodusmaailmaga, pakkudes jätkusuutlikke ja tõhusaid lahendusi.