Izrada bio-inspiriranih robota: Oponašanje prirode za naprednu robotiku

Stoljećima su ljudi tražili inspiraciju u prirodi. Od letećih strojeva Leonarda da Vincija temeljenih na letu ptica do modernog čička inspiriranog plodovima čička, priroda pruža bogatstvo inovativnih rješenja. Ta inspiracija se proteže i na robotiku, dovodeći do nastanka polja bio-inspirirane robotike, poznatog i kao biomimikrija u robotici. Ovo polje ima za cilj dizajnirati i izraditi robote koji oponašaju kretanje, osjetila i ponašanje živih organizama. Ovaj pristup omogućuje inženjerima stvaranje robota sposobnih za navigaciju u složenim okruženjima, obavljanje zamršenih zadataka i interakciju sa svijetom na nove i učinkovite načine.

Što je bio-inspirirana robotika?

Bio-inspirirana robotika je interdisciplinarno polje koje spaja biologiju, inženjerstvo i računarstvo. Uključuje proučavanje strukture i funkcije bioloških sustava te korištenje tog znanja za dizajniranje i izradu robota koji mogu oponašati te sustave. Ključni princip je izvući temeljna načela prirodnih rješenja i primijeniti ih na dizajn robota.

Za razliku od tradicionalne robotike, koja se često oslanja na krute strukture i unaprijed programirane pokrete, bio-inspirirani roboti obično su dizajnirani da budu fleksibilni, prilagodljivi i energetski učinkoviti. Često uključuju napredne materijale, senzore i aktuatore kako bi replicirali složene pokrete i senzorne sposobnosti živih organizama. To je posebno korisno u područjima gdje se tradicionalni roboti muče, poput navigacije po neravnom terenu ili rada u pretrpanim okruženjima.

Zašto bio-inspiracija? Prednosti i primjene

Bio-inspirirana robotika nudi brojne prednosti u odnosu na tradicionalnu robotiku, uključujući:

• Prilagodljivost: Biološki sustavi vrlo su prilagodljivi promjenjivim okruženjima. Bio-inspirirani roboti mogu biti dizajnirani da pokazuju sličnu prilagodljivost, što im omogućuje učinkovit rad u širokom rasponu uvjeta.
• Učinkovitost: Evolucija je optimizirala biološke sustave za energetsku učinkovitost. Bio-inspirirani roboti mogu biti dizajnirani da troše manje energije od tradicionalnih robota, što ih čini pogodnima za dugotrajne misije.
• Sposobnost manevriranja: Mnogi biološki organizmi pokazuju izvanrednu sposobnost manevriranja, posebno u izazovnim okruženjima. Bio-inspirirani roboti mogu biti dizajnirani da oponašaju te pokrete, omogućujući im navigaciju složenim terenima i prostorima.
• Inovativna rješenja: Priroda često pruža rješenja za inženjerske probleme kojih se ljudi još nisu sjetili. Bio-inspirirana robotika može dovesti do razvoja potpuno novih robotskih dizajna i sposobnosti.

Ove prednosti čine bio-inspirirane robote prikladnima za širok raspon primjena, uključujući:

Potraga i spašavanje

Roboti koji se mogu kretati kroz srušene zgrade ili poplavljena područja ključni su za operacije potrage i spašavanja. Bio-inspirirani roboti, poput robota nalik zmijama ili letećih robota inspiriranih kukcima, mogu pristupiti područjima koja su preopasna ili nedostupna za ljude.

Primjer: Robot-zmija razvijen na Sveučilištu Carnegie Mellon može se kretati kroz ruševine i otpad kako bi locirao preživjele u zonama katastrofe. Ovi roboti oponašaju valovite pokrete zmija, što im omogućuje da se provlače kroz uske prostore i penju preko prepreka.

Nadzor okoliša

Nadzor uvjeta u okolišu, poput kvalitete vode ili zagađenja zraka, često zahtijeva robote koji mogu raditi u surovim ili udaljenim okruženjima. Bio-inspirirani podvodni roboti, poput robota nalik ribama, mogu učinkovito patrolirati velikim vodenim površinama, dok leteći roboti inspirirani kukcima mogu nadzirati kvalitetu zraka u urbanim područjima.

Primjer: Istraživači na MIT-u razvili su robotske ribe koje mogu autonomno plivati u oceanu, prikupljajući podatke o temperaturi vode, slanosti i razinama zagađenja. Ovi roboti su dizajnirani da budu energetski učinkoviti i neupadljivi, minimizirajući njihov utjecaj na morski okoliš.

Medicinska robotika

Bio-inspirirani roboti mogu izvoditi minimalno invazivne operacije, dostavljati lijekove na ciljana područja tijela i pomagati u rehabilitaciji. Mikro-roboti inspirirani kukcima, na primjer, jednog bi se dana mogli koristiti za navigaciju kroz krvne žile kako bi lijekove dostavili izravno tumorima.

Primjer: Mekani roboti inspirirani krakovima hobotnice razvijaju se za minimalno invazivnu kirurgiju. Ovi roboti mogu se prilagoditi obliku unutarnjih organa, omogućujući kirurzima pristup teško dostupnim područjima s minimalnim oštećenjem tkiva.

Proizvodnja i inspekcija

Roboti inspirirani životinjama poput mrava, koji mogu učinkovito surađivati, mogu se koristiti za napredne procese na proizvodnim linijama. Rojna robotika, podskup bio-inspirirane robotike, može optimizirati kretanje predmeta na proizvodnim linijama, smanjujući otpad i poboljšavajući cjelokupni tijek rada.

Primjer: Distribuirani robotski sustavi koriste se u skladištima na sličan način na koji mravi organiziraju zadatke za kolektivnu učinkovitost. Pojedinačni roboti surađuju kako bi ispunili narudžbe za otpremu brže i točnije nego kada se oslanjaju isključivo na ljudski rad ili centralno upravljane sustave.

Poljoprivreda

Robotika se može koristiti za nadzor zdravlja usjeva, prepoznavanje korova i precizno nanošenje gnojiva. Roboti koji nalikuju gujavicama mogu prozračivati tlo, poboljšati njegovu drenažu i povećati učinkovitost isporuke hranjivih tvari, čime doprinose višim prinosima i smanjenoj ovisnosti o kemikalijama.

Primjer: Poljoprivredni roboti opremljeni su senzorima i tehnologijom snimanja koja omogućuje procjenu zdravstvenog stanja usjeva u stvarnom vremenu. Koristeći te podatke, robotski sustavi mogu autonomno primijeniti ciljane tretmane koji minimiziraju utjecaj na okoliš.

Ključni principi i primjeri bio-inspiriranih dizajna

Nekoliko ključnih principa se često koristi u dizajnu bio-inspiriranih robota:

Kretanje

Oponašanje kretanja životinja središnja je tema u bio-inspiriranoj robotici. Istraživači proučavaju hod i pokrete različitih životinja kako bi razvili robote koji mogu hodati, trčati, plivati ili letjeti učinkovitije.

• Roboti koji hodaju: Inspirirani četveronošcima poput pasa i konja, roboti koji hodaju dizajnirani su za navigaciju po neravnom terenu i održavanje stabilnosti. Spot tvrtke Boston Dynamics je izvrstan primjer četveronožnog robota koji može hodati, trčati i penjati se po stepenicama.
• Roboti koji plivaju: Roboti nalik ribama dizajnirani su da oponašaju valovite pokrete riba, što im omogućuje učinkovito plivanje i manevriranje u složenim podvodnim okruženjima. Ovi roboti često koriste fleksibilne peraje ili valovita tijela za generiranje potiska.
• Leteći roboti: Leteći roboti inspirirani kukcima dizajnirani su da oponašaju mahanje krilima kukaca, što im omogućuje lebdenje, manevriranje u uskim prostorima i nošenje malih tereta. Ovi roboti često koriste lagane materijale i napredne kontrolne algoritme za postizanje stabilnog leta.
• Roboti-zmije: Roboti-zmije oponašaju kretanje zmija. Mogu se kretati u skučenim prostorima, penjati se preko prepreka i često se koriste u potrazi i spašavanju te industrijskoj inspekciji.

Senzorika

Biološki organizmi posjeduju širok raspon senzornih sposobnosti, uključujući vid, sluh, njuh i dodir. Bio-inspirirani roboti mogu biti opremljeni senzorima koji oponašaju te sposobnosti, omogućujući im da percipiraju i komuniciraju s okolinom na suptilnije načine.

• Vid: Bio-inspirirani vizualni sustavi mogu oponašati strukturu i funkciju ljudskog oka, omogućujući robotima da otkrivaju i prate objekte, prepoznaju lica i navigiraju složenim okruženjima. Događajne kamere, inspirirane načinom na koji biološke oči obrađuju vizualne informacije, koriste se u robotici velikih brzina.
• Sluh: Bio-inspirirani slušni sustavi mogu oponašati strukturu i funkciju ljudskog uha, omogućujući robotima da lociraju izvore zvuka, prepoznaju govor i otkrivaju suptilne promjene u okolini.
• Njuh: Bio-inspirirani olfaktorni sustavi mogu oponašati osjet njuha, omogućujući robotima da otkrivaju i identificiraju kemijske tvari u zraku ili vodi. Ovi se sustavi mogu koristiti za nadzor okoliša, sigurnost i medicinsku dijagnostiku.
• Dodir: Bio-inspirirani taktilni senzori mogu oponašati osjet dodira, omogućujući robotima da osjete oblik, teksturu i temperaturu predmeta. Ovi se senzori mogu koristiti za manipulaciju, sastavljanje i interakciju čovjeka i robota.

Aktuacija

Aktuatori su mišići robota, koji pružaju snagu i pokret potrebne za obavljanje zadataka. Bio-inspirirani aktuatori mogu oponašati strukturu i funkciju bioloških mišića, omogućujući robotima da se kreću glađe, učinkovitije i snažnije.

• Pneumatski aktuatori: Inspirirani načinom na koji se mišići stežu i šire, pneumatski aktuatori koriste komprimirani zrak za generiranje sile. Ovi aktuatori su lagani, fleksibilni i mogu generirati velike sile.
• Hidraulički aktuatori: Slično pneumatskim aktuatorima, hidraulički aktuatori koriste tekućinu pod tlakom za generiranje sile. Ovi aktuatori su snažniji od pneumatskih i mogu se koristiti za teške primjene.
• Elektroaktivni polimeri (EAP): EAP su materijali koji mijenjaju oblik ili veličinu kada su podvrgnuti električnom polju. Ovi se materijali mogu koristiti za stvaranje umjetnih mišića koji su lagani, fleksibilni i energetski učinkoviti.
• Legure s memorijom oblika (SMA): SMA su materijali koji se mogu vratiti u unaprijed definirani oblik kada se zagriju. Ovi se materijali mogu koristiti za stvaranje aktuatora koji su kompaktni, snažni i pouzdani.

Budućnost bio-inspirirane robotike

Bio-inspirirana robotika je polje koje se brzo razvija s potencijalom da revolucionira mnoge aspekte naših života. Kako naše razumijevanje bioloških sustava nastavlja rasti, možemo očekivati da ćemo u budućnosti vidjeti još sofisticiranije i sposobnije bio-inspirirane robote.

Neki od ključnih trendova u bio-inspiriranoj robotici uključuju:

Napredni materijali

Razvoj novih materijala s poboljšanim svojstvima, kao što su lagani kompoziti, fleksibilni polimeri i materijali koji se sami obnavljaju, omogućuje stvaranje robusnijih i prilagodljivijih bio-inspiriranih robota.

Umjetna inteligencija (UI) i strojno učenje (SU)

UI i SU igraju sve važniju ulogu u bio-inspiriranoj robotici, omogućujući robotima da uče iz iskustva, prilagođavaju se promjenjivim okruženjima i donose autonomne odluke. Algoritmi SU-a mogu se koristiti za optimizaciju upravljanja robotom, poboljšanje performansi senzora i razvoj novih robotskih ponašanja.

Rojna robotika

Rojna robotika uključuje koordinaciju velikog broja jednostavnih robota za obavljanje složenih zadataka. Inspirirana kolektivnim ponašanjem kukaca i drugih društvenih životinja, rojna robotika nudi skalabilan i robustan pristup rješavanju izazovnih problema. Ovi sustavi mogu biti korisni za mapiranje okruženja, traženje resursa i obavljanje distribuiranih zadataka.

Meka robotika

Meka robotika se usredotočuje na dizajn i konstrukciju robota koristeći fleksibilne i deformabilne materijale. Inspirirani mekim tijelima životinja poput hobotnica i crva, mekani roboti mogu se prilagoditi obliku svog okruženja, kretati se uskim prostorima i sigurno komunicirati s ljudima. Ovi su roboti posebno prikladni za medicinske primjene, proizvodnju i istraživanje.

Izazovi u bio-inspiriranoj robotici

Unatoč svom golemom potencijalu, bio-inspirirana robotika suočava se s nekoliko izazova:

• Složenost: Biološki sustavi su nevjerojatno složeni, a repliciranje njihove strukture i funkcije u robotu predstavlja značajan inženjerski izazov.
• Materijali: Razvoj materijala koji mogu oponašati svojstva bioloških tkiva, kao što su fleksibilnost, čvrstoća i sposobnost samoobnavljanja, veliko je područje istraživanja.
• Upravljanje: Kontroliranje pokreta i ponašanja bio-inspiriranih robota može biti izazovno, posebno za robote s mnogo stupnjeva slobode. Potrebni su napredni kontrolni algoritmi i tehnike fuzije senzora kako bi se postigli precizni i koordinirani pokreti.
• Energetska učinkovitost: Dizajniranje bio-inspiriranih robota koji su energetski učinkoviti ključno je za dugotrajne misije. Optimizacija dizajna aktuatora, senzora i sustava upravljanja ključna je za minimiziranje potrošnje energije.
• Etička razmatranja: Kako bio-inspirirani roboti postaju sve sofisticiraniji, važno je uzeti u obzir etičke implikacije njihove uporabe. Pitanja poput autonomije, sigurnosti i privatnosti moraju se pažljivo riješiti.

Primjeri bio-inspiriranih robota diljem svijeta

Diljem svijeta razvijaju se inovativni bio-inspirirani roboti. Evo nekoliko primjera:

• Europa: Program Europske unije Obzor 2020 financirao je nekoliko projekata bio-inspirirane robotike, uključujući istraživanje letećih robota inspiriranih kukcima i mekih robota za medicinske primjene. Robot OctoArm, inspiriran krakovima hobotnice, razvijen je u Italiji i dizajniran je za hvatanje i manipulaciju u složenim okruženjima.
• Azija: U Japanu istraživači razvijaju robote nalik zmijama za operacije potrage i spašavanja te humanoidne robote koji oponašaju ljudske pokrete za skrb o starijim osobama i pomoćne tehnologije.
• Sjeverna Amerika: U Sjedinjenim Državama u tijeku su istraživanja četveronožnih robota za vojne i industrijske primjene, kao i podvodnih robota za istraživanje oceana. Robot Cheetah s MIT-a poznat je po svojoj brzini trčanja i agilnosti.
• Australija: Istraživači rade na robotima dizajniranim za pomoć u upravljanju bioraznolikošću, poput robota Starbug sa Sveučilišta James Cook, koji se koristi za ubijanje morskih zvijezda trnovitih kruna, velike prijetnje Velikom koraljnom grebenu.

Zaključak

Bio-inspirirana robotika je brzorastuće polje koje obećava rješavanje nekih od najhitnijih svjetskih izazova. Oponašanjem genijalnih rješenja pronađenih u prirodi, inženjeri stvaraju robote koji su prilagodljiviji, učinkovitiji i sposobniji nego ikad prije. Kako istraživanje i razvoj u ovom polju nastavljaju napredovati, možemo očekivati još inovativnije i utjecajnije bio-inspirirane robote u godinama koje dolaze. Budućnost robotike nedvojbeno je isprepletena s prirodom, a mogućnosti su uistinu bezgranične.

Bilo da se radi o potrazi i spašavanju, nadzoru okoliša, medicinskim postupcima ili proizvodnim procesima, principi biomimikrije spremni su redefinirati granice onoga što roboti mogu postići. Prihvaćanje ovog pristupa osigurava da dizajni nisu samo inovativni, već i usklađeni s prirodnim svijetom, nudeći održiva i učinkovita rješenja.