Roboty w skali mini

Wyobraźmy sobie oddział 10-milimetrowych robotów, które chodzą po wnętrzu silnika odrzutowego i szukają uszkodzeń. W czasie niedawnego Farnborough Airshow produkujący takie silniki koncern Rolls- -Royce przedstawił wizję systemu o nazwie SWARM, w którym robot-wąż ma do wnętrza silnika dostarczać grupę mierzących 1 cm kroczących maszyn wykrywających usterki. Aby ta wizja się spełniła, potrzeba będzie jeszcze wielu lat, ale już teraz różne zespoły pracują nad miniaturowymi robotami do zadań specjalnych.

Mechaniczna mucha

Wiosną tego roku zespół z University of Washington zademonstrował np. pierwszego na świecie wzorowanego na owadach robota, który potrafi latać bez uwięzi. To niezwykle trudne zadanie, ponieważ cała maszyna waży tylko trochę więcej od wykałaczki i nawet mała bateria stanowiłaby dla niej ładunek nie do uniesienia. Naukowcy poradzili sobie w taki sposób, że swoją konstrukcję o nazwie RoboFly wyposażyli w ogniwo fotowoltaiczne, na które kierują promień lasera. Zdaniem twórców wynalazku to najbardziej efektywny sposób szybkiego dostarczania dużej ilości energii do urządzenia bez znacznego zwiększania jego wagi. „Chciałbym zbudować robota, który pozwoli na łatwe wykrywanie wycieków gazu. Ktoś mógłby kupić wypełnioną nimi walizkę, otworzyć i pozwolić im latać wokół budynku w poszukiwaniu obłoków gazu wydobywających się z nieszczelnych rur – mówi prof. Sawyer Fuller, jeden z konstruktorów robota-muchy. – Do tej pory pomysły na swobodnie latające roboty o wielkości owada należały do sfery science fiction. Nasz nowy RoboFly pokazuje, że są one coraz bliższe rzeczywistości – przekonuje ekspert. Można sobie wyobrazić takie urządzenia wyposażone w czujniki do wykrywania przeróżnych substancji lub promieniowania albo niosące na pokładzie miniaturowe kamery i mikrofony czy instrumenty do zapylania kwiatów.

Pszczoła-rakieta

Wcześniej prof. Fuller pracował nad innym latających robotem o nazwie RoboBee, rozwijanym w John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences i Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering na Harvard University. Maszyna stała się eksperymentalnym polem do poszukiwania nietypowych rozwiązań, niezbędnych przy budowie tak małych i złożonych urządzeń mechanicznych. Konieczna była np. rezygnacja ze zbyt dużych tradycyjnych silników elektrycznych. Zamiast tego skrzydła RoboBee są napędzane piezoelektrycznie – przez ceramiczne elementy, które kurczą się i rozciągają pod wpływem prądu. Potrzebny był też nowy sposób wytwarzania części budowanej maszyny. Naukowcy opracowali metodę, w której łączą wycinane laserowo warstwy z elastycznego i sztywnego materiału w taki sposób, że ciało robota powstaje z nich podobnie, jak różnego rodzaju obiekty pojawiają się po otwarciu trójwymiarowych książeczek dla dzieci.

Tak powstał robot ważący mniej niż prawdziwa pszczoła, bo zaledwie ok. 80 mg, i wyposażony w skrzydła o rozpiętości 3 cm. Na razie jeszcze porusza się na uwięzi, ale za to zdobył już dodatkowe ważne umiejętności. Naukowcy wyposażyli go np. w elektrody, które pokrywając się ładunkiem elektrycznym, sprawiają, że cała konstrukcja może przylgnąć do wybranej powierzchni i na niej zawisnąć. Robot potrafi to zrobić, podlatując do powierzchni ze szkła, drewna, a nawet do liścia. To jeszcze nic! Przed rokiem konstruktorzy zupełnie przetransformowali swój wynalazek, tak że teraz potrafi nie tylko latać, ale także pływać pod wodą i z niej wyskakiwać. Skrzydła, które poruszają się z częstotliwością 200–300 razy na sekundę, umożliwiają lot w powietrzu, a po zwolnieniu do 9–13 ruchów na sekundę pozwalają robotowi poruszać się w zanurzeniu. Jednak opracowanie sposobu na powrót z wody w powietrze było szczególnym wyzwaniem, ponieważ niezauważalna dla człowieka siła stanowi barierę niemal nie do przebycia dla 80-miligramowej „pszczoły”. Chodzi o napięcie powierzchniowe wody, które robot musi pokonać przy wynurzeniu. Aby mógł sobie z nim poradzić, naukowcy zamienili go w małą rakietę. Otóż cybernetyczny owad wzbogacił się o komorę, w której gromadzi się mieszanina wodoru i tlenu pochodzących z elektrolizy wody. Najpierw gazy pomagają robotowi wypłynąć blisko powierzchni. Najważniejsze jednak dzieje się później – po zbliżeniu się do granicy z powietrzem następuje zapłon mieszaniny i RoboBee wyskakuje z wody dzięki miniaturowemu silnikowi rakietowemu.

Pomocna fizyka

Ujawniające się w małej skali zjawiska naukowcy próbują także wykorzystać do swoich celów. Tak zrobili specjaliści z John A. Paulson School of Engineering – konstruktorzy chodzącego po wodzie „karalucha”. Ważący nieco ponad 1,5 g robot wykorzystuje napięcie powierzchniowe wody, aby się na niej utrzymać. Kiedy jednak chce się zanurzyć, potrafi pokonać granicę dzielącą wodę z powietrzem za pomocą impulsu elektrycznego. Po dnie chodzi natomiast na tych samych odnóżach, których używa na powierzchni. Do wyjścia z wody potrzebuje jednak łagodnie nachylonej rampy, ponieważ tylko dzięki niej jest w stanie pokonać stanowiące tym razem przeszkodę napięcie powierzchniowe działające na niego z siłą dwukrotnie większą od jego wagi. – Robot ten doskonale pokazuje niektóre wyzwania i możliwości związane z robotyką w małej skali – mówi kierujący zespołem konstruktorów prof. Robert Wood. – Zmniejszanie rozmiarów przynosi możliwość zwiększenia mobilności, np. pozwala na chodzenie po wodzie, ale także wiąże się z wyzwaniami, ponieważ siły, na które zwykle nie zwracamy uwagi w dużej skali, zaczynają odgrywać dominującą rolę przy rozmiarach owada – wyjaśnia specjalista. Badacze myślą już nad sposobami usprawnienia wychodzenia robota na powierzchnię. Jednym z pomysłów jest wyposażenie go w przylegający do podłoża materiał wzorowany na odnóżach gekona.

Naturalna inwencja

Przyroda to bowiem niewyczerpane źródło inspiracji. Naukowcy z University of Manchester pracują np. nad robotami naśladującymi pająki, na dodatek pająki o dosyć niezwykłych umiejętnościach. Chodzi o skakuny królewskie, które potrafią dać susa na odległość kilkakrotnie większą niż długość ich ciała. – W naszych badaniach nad robotami-pająkami przyglądamy się pewnemu gatunkowi skaczących pająków – Phidippus regius. Wytrenowaliśmy je tak, aby skakały na różne odległości i wysokości, a my każdy ich ruch w najdrobniejszych detalach z pomocą kamer wysokiej rozdzielczości rejestrujemy, aby potem można go było obejrzeć w zwolnionym tempie – opowiada kierujący pracami dr Mostafa Nabawy. Naukowcy starają się potem odtworzyć te same skoki w mechanicznych pająkach. Takie urządzenia mają kiedyś m.in. docierać do trudno dostępnych miejsc, jak zawalony budynek, kopalnia czy uszkodzona elektrownia atomowa.

Jak w fabryce

Miniaturowe roboty mogą także przypominać powszechne maszyny przemysłowe. Nad takimi właśnie urządzeniami pracują specjaliści z Wyss Institute, którzy skonstruowali miniaturową wersję robota typu delta. Maszyny tego rodzaju zbudowane są z trzech ramion układających się w odwrócony ostrosłup o podstawie trójkąta. Pierwsze urządzenie tego typu, wynalezione w latach 80., pakowało czekoladki do pudełek. Takich robotów używa się właśnie m.in. do pakowania różnych przedmiotów czy składania urządzeń elektronicznych. Teraz badacze zdołali zbudować takie urządzenie w milimetrowej skali. Maszyna nazwana milliDelta działa szybko, z dużą siłą i z mikrometrową dokładnością. Konstruktorzy widzą jej zastosowanie np. w zabiegach mikrochirurgicznych, takich jak operacja oczu, czy nawet przy przenoszeniu pojedynczych komórek w badaniach biologicznych. – Praca zespołu kierowanego przez Wooda, pokazująca zwiększoną siłę i kontrolę ich robota milliDelta w milimetrowej skali, otwiera zupełnie nowe ścieżki rozwoju tych urządzeń, które pozostawały do tej pory poza zasięgiem dostępnych nam technologii – mówi dyrektor instytutu dr Donald Ingber.

Miękkie i zwinne

A gdyby tak w ogóle zrezygnować z ramion, dźwigni i innych sztywnych elementów? To możliwe. Świetnie pokazuje to inny robot, który także powstał w Wyss Institute. Wzorowana na pająku maszyna składa się z jednego kawałka elastycznego materiału. – Najmniejsze miękkie systemy robotyczne nadal są bardzo proste, tylko z jednym stopniem swobody, co oznacza, że mogą wykonywać tylko ruch jednego rodzaju – wyjaśnia współautorka nowego wynalazku dr Sheila Russo. Naukowcy z Wyss Institute opracowali jednak robota z osiemnastoma stopniami swobody. Udało im się to dzięki nowej metodzie, w której łączy się kolejne wymodelowane laserowo warstwy silikonu. Wspólnie tworzą one trójwymiarową formę. W każdą warstwę wbudowana jest sieć mikrokanałów. Część z nich wypełniana jest zastygającą cieczą, która nadaje robotowi właściwy kształt. Do części naukowcy wstrzyknęli barwną ciecz, tak aby umieścić na robocie wzór podobny do tego, jaki można znaleźć na ciele prawdziwego pająka. Kontrolowane napełnianie cieczą pod ciśnieniem pozostałych kanałów powoduje z kolei ruch elastycznej konstrukcji. – W dziedzinie miękkich robotów to nowe podejście do wytwarzania może otworzyć drogę do osiągnięcia podobnego stopnia złożoności i funkcjonalności w tej małej skali, jaki uzyskaliśmy już w dziedzinie zwykłych, sztywnych robotów – mówi uczestniczący w pracach prof. Robert Wood. Takie miękkie małe maszyny mogłyby przedostawać się w miejsca niedostępne dla sztywnych, nawet równie niewielkich urządzeń. Badacze mówią nawet o penetrowaniu ludzkiego ciała. Właściwie to trudno chyba będzie znaleźć miejsce, do którego jakiś z miniaturowych robotów nie będzie mógł się przedostać. Oto kolejna technologia równie wspaniała, jak chyba niebezpieczna.

Marek Matacz
niezależny dziennikarz popularnonaukowy, z wykształcenia biotechnolog