Biologiškai įkvėptų robotų kūrimas: gamtos mėgdžiojimas pažangiai robotikai

Šimtmečius žmonės sėmėsi įkvėpimo iš gamtos. Nuo Leonardo da Vinci skraidančių aparatų, sukurtų pagal paukščių skrydį, iki šiuolaikinių „Velcro“ lipdukų, įkvėptų varnalėšų, gamta siūlo daugybę novatoriškų sprendimų. Šis įkvėpimas persikėlė ir į robotiką, sukeldamas biologiškai įkvėptos robotikos, dar vadinamos biomimikrija robotikoje, atsiradimą. Ši sritis siekia projektuoti ir kurti robotus, kurie imituoja gyvų organizmų judėjimą, jutimą ir elgesį. Šis požiūris leidžia inžinieriams kurti robotus, gebančius judėti sudėtingose aplinkose, atlikti sudėtingas užduotis ir sąveikauti su pasauliu naujais ir efektyviais būdais.

Kas yra biologiškai įkvėpta robotika?

Biologiškai įkvėpta robotika yra tarpdisciplininė sritis, jungianti biologiją, inžineriją ir kompiuterių mokslą. Ji apima biologinių sistemų struktūros ir funkcijų tyrimą, o vėliau šių žinių panaudojimą projektuojant ir kuriant robotus, galinčius imituoti šias sistemas. Pagrindinis principas – išgauti esminius natūralių sprendimų principus ir pritaikyti juos robotų projektavimui.

Skirtingai nuo tradicinės robotikos, kuri dažnai remiasi standžiomis struktūromis ir iš anksto užprogramuotais judesiais, biologiškai įkvėpti robotai paprastai kuriami lankstūs, prisitaikantys ir taupantys energiją. Jie dažnai apima pažangias medžiagas, jutiklius ir pavaras, kad atkartotų sudėtingus gyvų organizmų judesius ir jutimo gebėjimus. Tai ypač naudinga srityse, kuriose tradiciniai robotai susiduria su sunkumais, pavyzdžiui, judant nelygiu paviršiumi ar veikiant perkrautose aplinkose.

Kodėl įkvėpimo semtis iš biologijos? Privalumai ir pritaikymas

Biologiškai įkvėpta robotika siūlo daugybę privalumų, palyginti su tradicine robotika, įskaitant:

• Prisitaikymas: Biologinės sistemos puikiai prisitaiko prie kintančių aplinkų. Biologiškai įkvėpti robotai gali būti sukurti taip, kad pasižymėtų panašiu prisitaikymu, leidžiančiu jiems efektyviai veikti įvairiomis sąlygomis.
• Efektyvumas: Evoliucija optimizavo biologines sistemas energijos vartojimo efektyvumui. Biologiškai įkvėpti robotai gali būti sukurti taip, kad sunaudotų mažiau energijos nei tradiciniai robotai, todėl jie tinka ilgalaikėms misijoms.
• Manevringumas: Daugelis biologinių organizmų pasižymi nepaprastu manevringumu, ypač sudėtingose aplinkose. Biologiškai įkvėpti robotai gali būti sukurti taip, kad imituotų šiuos judesius, leidžiančius jiems judėti sudėtingais reljefais ir erdvėmis.
• Novatoriški sprendimai: Gamta dažnai siūlo sprendimus inžinerinėms problemoms, kurių žmonės dar nesugalvojo. Biologiškai įkvėpta robotika gali paskatinti visiškai naujų robotų dizainų ir galimybių kūrimą.

Dėl šių privalumų biologiškai įkvėpti robotai puikiai tinka įvairioms taikymo sritims, įskaitant:

Paieška ir gelbėjimas

Robotai, galintys judėti sugriuvusiuose pastatuose ar užtvindytose teritorijose, yra gyvybiškai svarbūs paieškos ir gelbėjimo operacijoms. Biologiškai įkvėpti robotai, tokie kaip gyvates primenantys robotai ar vabzdžių įkvėpti skraidantys robotai, gali pasiekti vietas, kurios yra per daug pavojingos ar nepasiekiamos žmonėms.

Pavyzdys: Carnegie Mellon universitete sukurtas gyvatės robotas gali judėti per griuvėsius ir nuolaužas, ieškodamas išgyvenusiųjų nelaimės zonose. Šie robotai imituoja banguojančius gyvačių judesius, leidžiančius jiems prasisprausti pro siaurus tarpus ir lipti per kliūtis.

Aplinkos stebėjimas

Aplinkos sąlygų, tokių kaip vandens kokybė ar oro tarša, stebėjimui dažnai reikalingi robotai, galintys veikti atšiauriose ar atokiose aplinkose. Biologiškai įkvėpti povandeniniai robotai, pavyzdžiui, žuvis primenantys robotai, gali efektyviai patruliuoti dideliuose vandens telkiniuose, o vabzdžių įkvėpti skraidantys robotai gali stebėti oro kokybę miestų teritorijose.

Pavyzdys: MIT tyrėjai sukūrė robotines žuvis, kurios gali autonomiškai plaukti vandenyne, rinkdamos duomenis apie vandens temperatūrą, druskingumą ir taršos lygį. Šie robotai sukurti taip, kad būtų energiją taupantys ir netrikdantys aplinkos, taip sumažinant jų poveikį jūrų ekosistemai.

Medicininė robotika

Biologiškai įkvėpti robotai gali atlikti minimaliai invazines operacijas, tiekti vaistus į tikslines kūno vietas ir padėti reabilitacijos procese. Pavyzdžiui, vabzdžių įkvėpti mikrorobotai vieną dieną galėtų būti naudojami judėti kraujagyslėmis, kad vaistai būtų pristatyti tiesiai į auglius.

Pavyzdys: Aštuonkojų čiuptuvų įkvėpti minkštieji robotai kuriami minimaliai invazinei chirurgijai. Šie robotai gali prisitaikyti prie vidaus organų formos, leisdami chirurgams pasiekti sunkiai prieinamas vietas su minimalia audinių pažaida.

Gamyba ir inspekcija

Robotai, įkvėpti gyvūnų, tokių kaip skruzdėlės, kurios gali efektyviai bendradarbiauti, gali būti naudojami pažangiuose surinkimo linijos procesuose. Spiečių robotika, biologiškai įkvėptos robotikos poskyris, gali optimizuoti daiktų judėjimą surinkimo linijose, mažindama atliekas ir gerindama bendrą darbo eigą.

Pavyzdys: Paskirstytosios robotų sistemos naudojamos sandėliuose, panašiai kaip skruzdėlės organizuoja užduotis siekdamos kolektyvinio efektyvumo. Individualūs robotai bendradarbiauja vykdydami siuntų užsakymus greičiau ir tiksliau, nei pasikliaujant vien tik žmogaus darbu ar centralizuotai valdomomis sistemomis.

Žemės ūkis

Robotika gali būti naudojama pasėlių būklės stebėjimui, piktžolių identifikavimui ir tiksliam trąšų paskirstymui. Sliekus primenantys robotai gali aeruoti dirvožemį, pagerinti jo drenažą ir padidinti maistinių medžiagų tiekimo efektyvumą, taip prisidėdami prie didesnio derliaus ir mažesnės priklausomybės nuo cheminių medžiagų.

Pavyzdys: Žemės ūkio robotai yra aprūpinti jutikliais ir vaizdo technologijomis, leidžiančiomis realiu laiku įvertinti pasėlių sveikatos būklę. Naudodamos šiuos duomenis, robotų sistemos gali autonomiškai taikyti tikslinius apdorojimo būdus, kurie sumažina poveikį aplinkai.

Pagrindiniai biologiškai įkvėptų dizainų principai ir pavyzdžiai

Kuriant biologiškai įkvėptus robotus, dažniausiai taikomi keli pagrindiniai principai:

Judėjimas

Gyvūnų judėjimo mėgdžiojimas yra pagrindinė biologiškai įkvėptos robotikos tema. Tyrėjai studijuoja įvairių gyvūnų eiseną ir judesius, kad sukurtų robotus, galinčius efektyviau vaikščioti, bėgti, plaukti ar skraidyti.

• Vaikštantys robotai: Įkvėpti keturkojų, tokių kaip šunys ir arkliai, vaikštantys robotai yra sukurti judėti nelygiu paviršiumi ir išlaikyti stabilumą. „Boston Dynamics“ robotas „Spot“ yra puikus keturkojo roboto pavyzdys, galintis vaikščioti, bėgti ir lipti laiptais.
• Plaukiantys robotai: Žuvis primenantys robotai yra sukurti imituoti banguojančius žuvų judesius, leidžiančius jiems efektyviai plaukti ir manevruoti sudėtingose povandeninėse aplinkose. Šie robotai dažnai naudoja lanksčius pelekus ar banguojančius kūnus traukai generuoti.
• Skraidantys robotai: Vabzdžių įkvėpti skraidantys robotai yra sukurti imituoti plasnojančius vabzdžių sparnus, leidžiančius jiems kybti ore, manevruoti siaurose erdvėse ir gabenti mažus krovinius. Šie robotai dažnai naudoja lengvas medžiagas ir pažangius valdymo algoritmus, kad pasiektų stabilų skrydį.
• Gyvatės robotai: Gyvatės robotai imituoja gyvačių judėjimą. Jie gali judėti uždarose erdvėse, lipti per kliūtis ir dažnai naudojami paieškos ir gelbėjimo operacijose bei pramoninėje inspekcijoje.

Jutimas

Biologiniai organizmai turi platų jutimo gebėjimų spektrą, įskaitant regą, klausą, uoslę ir lytėjimą. Biologiškai įkvėpti robotai gali būti aprūpinti jutikliais, kurie imituoja šiuos gebėjimus, leidžiančius jiems suvokti aplinką ir sąveikauti su ja subtilesniais būdais.

• Rega: Biologiškai įkvėptos regos sistemos gali imituoti žmogaus akies struktūrą ir funkciją, leidžiančios robotams aptikti ir sekti objektus, atpažinti veidus ir judėti sudėtingose aplinkose. Įvykių kameros, įkvėptos to, kaip biologinės akys apdoroja vizualinę informaciją, naudojamos didelės spartos robotikoje.
• Klausa: Biologiškai įkvėptos klausos sistemos gali imituoti žmogaus ausies struktūrą ir funkciją, leidžiančios robotams lokalizuoti garso šaltinius, atpažinti kalbą ir aptikti subtilius aplinkos pokyčius.
• Uoslė: Biologiškai įkvėptos uoslės sistemos gali imituoti uoslės pojūtį, leidžiančios robotams aptikti ir identifikuoti chemines medžiagas ore ar vandenyje. Šios sistemos gali būti naudojamos aplinkos stebėjimui, saugumui ir medicininei diagnostikai.
• Lytėjimas: Biologiškai įkvėpti lytėjimo jutikliai gali imituoti lytėjimo pojūtį, leidžiančios robotams jausti objektų formą, tekstūrą ir temperatūrą. Šie jutikliai gali būti naudojami manipuliavimui, surinkimui ir žmogaus-roboto sąveikai.

Pavaros

Pavaros yra roboto raumenys, suteikiantys jėgą ir judesį, reikalingus užduotims atlikti. Biologiškai įkvėptos pavaros gali imituoti biologinių raumenų struktūrą ir funkciją, leidžiančios robotams judėti sklandžiau, efektyviau ir galingiau.

• Pneumatinės pavaros: Įkvėptos to, kaip raumenys susitraukia ir išsiplečia, pneumatinės pavaros naudoja suspaustą orą jėgai generuoti. Šios pavaros yra lengvos, lanksčios ir gali generuoti dideles jėgas.
• Hidraulinės pavaros: Panašiai kaip pneumatinės pavaros, hidraulinės pavaros naudoja suslėgtą skystį jėgai generuoti. Šios pavaros yra galingesnės už pneumatines ir gali būti naudojamos sunkiasvorėms programoms.
• Elektroaktyvūs polimerai (EAP): EAP yra medžiagos, kurios keičia formą ar dydį veikiamos elektrinio lauko. Šios medžiagos gali būti naudojamos dirbtiniams raumenims, kurie yra lengvi, lankstūs ir taupantys energiją, kurti.
• Formos atminties lydiniai (SMA): SMA yra medžiagos, kurios gali grįžti į iš anksto nustatytą formą kaitinamos. Šios medžiagos gali būti naudojamos kuriant kompaktiškas, galingas ir patikimas pavaras.

Biologiškai įkvėptos robotikos ateitis

Biologiškai įkvėpta robotika yra sparčiai besivystanti sritis, turinti potencialą pakeisti daugelį mūsų gyvenimo aspektų. Tobulėjant mūsų supratimui apie biologines sistemas, ateityje galime tikėtis dar sudėtingesnių ir pajėgesnių biologiškai įkvėptų robotų.

Keletas pagrindinių biologiškai įkvėptos robotikos tendencijų apima:

Pažangios medžiagos

Naujų medžiagų, turinčių patobulintas savybes, tokių kaip lengvi kompozitai, lankstūs polimerai ir savaime gyjančios medžiagos, kūrimas leidžia kurti tvirtesnius ir labiau prisitaikančius biologiškai įkvėptus robotus.

Dirbtinis intelektas (DI) ir mašininis mokymasis (MM)

DI ir MM vaidina vis svarbesnį vaidmenį biologiškai įkvėptoje robotikoje, leidžiančioje robotams mokytis iš patirties, prisitaikyti prie kintančių aplinkų ir priimti autonominius sprendimus. MM algoritmai gali būti naudojami robotų valdymui optimizuoti, jutiklių veikimui pagerinti ir naujiems robotų elgesio modeliams kurti.

Spiečių robotika

Spiečių robotika apima didelio skaičiaus paprastų robotų koordinavimą sudėtingoms užduotims atlikti. Įkvėpta kolektyvinio vabzdžių ir kitų socialinių gyvūnų elgesio, spiečių robotika siūlo mastelį keičiantį ir patikimą požiūrį į sudėtingų problemų sprendimą. Šios sistemos gali būti naudingos aplinkų kartografavimui, išteklių paieškai ir paskirstytų užduočių vykdymui.

Minkštoji robotika

Minkštoji robotika orientuojasi į robotų projektavimą ir konstravimą naudojant lanksčias ir deformuojamas medžiagas. Įkvėpti minkštų gyvūnų, tokių kaip aštuonkojai ir kirminai, kūnų, minkštieji robotai gali prisitaikyti prie savo aplinkos formos, judėti siaurose erdvėse ir saugiai sąveikauti su žmonėmis. Šie robotai ypač tinka medicinos taikymams, gamybai ir tyrinėjimams.

Biologiškai įkvėptos robotikos iššūkiai

Nepaisant didžiulio potencialo, biologiškai įkvėpta robotika susiduria su keliais iššūkiais:

• Sudėtingumas: Biologinės sistemos yra neįtikėtinai sudėtingos, o jų struktūros ir funkcijų atkūrimas robote yra didelis inžinerinis iššūkis.
• Medžiagos: Medžiagų, galinčių imituoti biologinių audinių savybes, tokias kaip lankstumas, stiprumas ir savaiminio gijimo gebėjimai, kūrimas yra pagrindinė tyrimų sritis.
• Valdymas: Biologiškai įkvėptų robotų judesių ir elgesio valdymas gali būti sudėtingas, ypač robotams su daug laisvės laipsnių. Reikalingi pažangūs valdymo algoritmai ir jutiklių duomenų sintezės metodai, kad būtų pasiekti tikslūs ir koordinuoti judesiai.
• Energijos vartojimo efektyvumas: Energiją taupančių biologiškai įkvėptų robotų projektavimas yra labai svarbus ilgalaikėms misijoms. Pavarų, jutiklių ir valdymo sistemų projektavimo optimizavimas yra būtinas energijos suvartojimui sumažinti.
• Etiniai aspektai: Tobulėjant biologiškai įkvėptiems robotams, svarbu apsvarstyti jų naudojimo etines pasekmes. Reikia atidžiai spręsti tokius klausimus kaip autonomija, saugumas ir privatumas.

Biologiškai įkvėptų robotų pavyzdžiai visame pasaulyje

Visame pasaulyje kuriami novatoriški biologiškai įkvėpti robotai. Štai keletas pavyzdžių:

• Europa: Europos Sąjungos programa „Horizontas 2020“ finansavo kelis biologiškai įkvėptos robotikos projektus, įskaitant tyrimus apie vabzdžių įkvėptus skraidančius robotus ir minkštuosius robotus medicinos reikmėms. Italijoje kuriamas aštuonkojo rankų įkvėptas robotas „OctoArm“, skirtas daiktams suimti ir manipuliuoti sudėtingose aplinkose.
• Azija: Japonijoje tyrėjai kuria gyvates primenančius robotus paieškos ir gelbėjimo operacijoms bei humanoidinius robotus, kurie imituoja žmogaus judesius, skirtus pagyvenusių žmonių priežiūrai ir pagalbinėms technologijoms.
• Šiaurės Amerika: Jungtinėse Valstijose vykdomi tyrimai apie keturkojus robotus karinėms ir pramoninėms reikmėms, taip pat povandeninius robotus vandenynų tyrinėjimui. MIT sukurtas robotas „Cheetah“ yra gerai žinomas dėl savo bėgimo greičio ir judrumo.
• Australija: Tyrėjai dirba su robotais, skirtais padėti valdyti biologinę įvairovę, pavyzdžiui, Jameso Cooko universiteto sukurtas robotas „Starbug“, kuris naudojamas naikinti erškėčių vainiko jūrų žvaigždes, keliančias didelę grėsmę Didžiajam barjeriniam rifui.

Išvada

Biologiškai įkvėpta robotika yra sparčiai auganti sritis, kuri žada išspręsti kai kuriuos opiausius pasaulio iššūkius. Mėgdžiodami gamtoje randamus išradingus sprendimus, inžinieriai kuria robotus, kurie yra labiau prisitaikantys, efektyvesni ir pajėgesni nei bet kada anksčiau. Toliau plėtojantis tyrimams ir plėtrai šioje srityje, galime tikėtis artimiausiais metais pamatyti dar daugiau novatoriškų ir paveikių biologiškai įkvėptų robotų. Robotikos ateitis neabejotinai susipynusi su gamta, o galimybės yra išties beribės.

Nesvarbu, ar tai paieška ir gelbėjimas, aplinkos stebėjimas, medicininės procedūros ar gamybos procesai, biomimikrijos principai yra pasirengę iš naujo apibrėžti robotų galimybių ribas. Šio požiūrio laikymasis užtikrina, kad dizainai būtų ne tik novatoriški, bet ir suderinti su gamtos pasauliu, siūlant tvarius ir efektyvius sprendimus.