4 Minutės
Gamta įkvėpta inžinerija: robotizuotų siurbtukų nauja era
Biomimetika – inžineriniai sprendimai, kurių ištakos slypi gamtoje randamuose išskirtiniuose dizainuose ir veikimo principuose, – atveria naujus horizontus robotikos srityje. Nuo spalvą keičiančių paviršių, primenančių chameleonus, iki vikrių robotų, imituojančių vabzdžius – gamtos evoliuciniai sprendimai ir toliau įkvepia pažangių technologijų kūrimą. Vienas iš labiausiai išsiskiriančių gamtos modelių – aštuonkojis, kurio čiuopikliai su galingais siurbtukais geba prisitvirtinti prie beveik bet kokio paviršiaus, nepriklausomai nuo jo formos ar tekstūros. Šios natūralios ypatybės sužavėjo mokslininkus, siekiančius pagerinti robotų judrumą, prisitaikymą bei praktiškumą sudėtingoje aplinkoje.
Reikšmingų naujovių šioje srityje pasiekta Bristolio universitete, kur Tianqi Yue vadovaujama komanda sukūrė vieną pažangiausių robotizuotų siurbtukų iki šiol. Nuodugniai išanalizavę aštuonkojo siurbtukų adhezijos principus, tyrėjai sukūrė minkštąjį robotinį siurbtuką, kuris beveik atkartoja natūralias biologines funkcijas ir lankstumą.
Aštuonkojo siurbtukai: biologiniai šedevrai
Aštuonkojo čiuopiklius dengiantys siurbtukai išsiskiria didžiule siurbimo galia, leidžiančia šiems jūros gyvūnams judėti nelygiomis dugno vietomis, gaudyti grobį ir sąveikauti su aplinka. Siurbtukų unikalumas slypi ne tik gebėjime prisitaikyti prie nelygių paviršių – jų ypatinga paslaptis yra išskiriamos gleivės. Šis sekretas pagerina siurbtuko ir paviršiaus sandarumą, pripildo tarpus nelygiose vietose ir sumažina riziką prarasti siurbimą.
Iš biologinės pusės tai sudėtingas jutiminių bei raumeninių veiksmų derinys. Siurbtukuose esantys mechanoreceptoriai jaučia paviršiaus kontūrus bei faktūrą, perduoda informaciją į aštuonkojo smegenis. Tai lemia mikroskopinius siurbtuko formos pakitimus ir tikslų gleivių išskyrimą, užtikrinantį beveik nepriekaištingą sandarumą. Raumenų susitraukimai sumažina vidinį slėgį, o raumenų atpalaidavimas leidžia atitrūkti be pastangų.
Nuo biologijos prie robotikos: inžineriniai iššūkiai ir sprendimai
Tradicinių dirbtinių siurbtukų ribotumai
Įprastos siurbtinės, kurioms taikomos vakuuminės pompos ar mechaninis spaudimas, turi rimtų trūkumų, kai reikia užtikrinti sukibimą su nelygiais ar struktūruotais paviršiais, pvz., akmenimis ar kriauklėmis. Ankstesni bandymai atkartoti natūralų siurbimą apėmė mikrostruktūrų, primenančių aštuonkojo „danteles“, įterpimą, tačiau oro nuotėkio bei sudėtingų papildomų sistemų poreikio išvengti nepavyko.
Tianqi Yue komanda ieškojo efektyvesnio sprendimo, giliau nagrinėdama aštuonkojo prisitvirtinimo mechaniką. Svarbiausią dėmesį jie skyrė biologinėms savybėms bei aktyviam paviršiaus prisitaikymui, stebimam galvakojuose.
Biomimetinis dizainas: vandeniu sandarinamas dirbtinis siurbtukas
Bristolio tyrėjai iš pagrindų pakeitė ankstesnius sprendimus, sukurdami robotizuotą siurbtuką su silikoniniu kempinės branduoliu vidiniam lankstumui ir minkštu silikono sluoksniu išorinei adaptacijai. Siekdami imituoti aštuonkojo gleivių funkciją, jie įdiegė dirbtinę fluidikos sistemą, galinčią tiekti vandenį tarp siurbtuko ir paviršiaus. Nors vandens sluoksnis ne toks lipnus kaip natūralios gleivės (gleivės maždaug penkis kartus tirštesnės nei vanduo), jis žymiai pagerina sandarumą, ypač po vandeniu ar ant labai nelygių paviršių.
Eksperimentai ir pagrindiniai atradimai
Laboratoriniai bandymai atlikti su įvairiais sudėtingais paviršiais – nuo šiurkščių akmenų iki sudėtingos formos sintetinių modelių. Sėkmės pagrindas – dvipakopis procesas: pirmiausia minkštas silikono sluoksnis mechaniškai prisitaiko prie paviršiaus, sumažindamas pradinių tarpų apimtį, o vėliau vandens sistema užpildo likusias mikroskopines ertmes, sudarydama sandarią jungtį ir užkertant kelią oro arba vandens pratekėjimui.
Pakartotiniai bandymai parodė, kad vandeniu sandarinti robotizuoti siurbtukai objektų gali laikytis iki 55 kartų ilgiau nei įprastos siurbtinės be skysčio. Šis ženklus veikimo pagerinimas atskleidžia ne tik skysčių-reguliuojamos adhezijos potencialą, bet ir praktinę naudą situacijose, kur standartiniai sprendimai yra neefektyvūs.
Adaptyvaus siurbimo ateitis robotikoje
Tyrėjų teigimu, „mūsų siurbimo mechanizmas atskleidžia didžiulį skysčių reguliavimo potencialą siurbimo adaptavimui ir išsiskiria stipriu adaptyviu sukibimu net ant sudėtingų sausų paviršių. Tai unikali, ekonomiška, švari ir galinga minkštosios adhezijos strategija naujos kartos robotams.“ Tokios technologijos itin perspektyvios povandeninėje robotikoje, gelbėjimo operacijose ar autonominėse misijose pavojingose ar sunkiai pasiekiamose aplinkose – pavyzdžiui, jūros olų gelmėse ar archeologinėse vietovėse.
Plačios galimybės: biomimetinių robotų perspektyvos
Aštuonkojo siurbukų įkvėpta adhezija – tai tarpsritis, kur susilieja jūrinė biologija, minkštoji robotika ir medžiagų mokslas. Permušus ankstesnių siurbtukų ribotumus dėka inovatyvaus skysčio sandarinimo ir mechaninės adaptacijos, šios robotinės sistemos žymi naujos kartos biomimetinių robotų pradžią. Galimos taikymo sritys – ne tik po vandeniu, bet ir medicinos robotikoje (kur reikalingas švelnus, prisitaikantis sugriebimas), pramoninėje automatizacijoje ar net už Žemės ribų – planetų tyrinėjimuose ar kosminių šiukšlių surinkime.
Ateities tyrimai bus orientuoti į artimesnį dirbtinių gleivių, pažangesnių jutiklių ir sudėtingesnių aktuatorių kūrimą, dar geriau priartinant robotines rankas prie natūralių prototipų efektyvumo. Vystantis taikymams, kuriuose naudojami visiškai robotizuoti siurbtukų čiuopikliai, galima tikėtis naujos robotų bangos, kuri sujungs dirbtinį intelektą ir gamtos inžinerijos eleganciją bei prisitaikymą.
Išvados
Naujausi proveržiai kuriant aštuonkojo siurbtukų principu veikiančius robotinius griebtuvus žymi ženklų žingsnį minkštosios robotikos ir biomimetikos inžinerijos srityje. Sėkmingai imituodami tiek struktūrines, tiek funkcines biologinių siurbtukų ypatybes, kartu diegiant vandenyje sandarinimo sistemą, mokslininkai atvira kelius robotams, gebantiems patikimai griebti, manipuliuoti ir prisitaikyti prie aplinkos lyg niekada anksčiau. Ši technologija gali radikaliai pakeisti povandeninius tyrinėjimus, gelbėjimo misijas ar jautrius gamybos procesus, dar kartą įrodydama, kad gamtoje glūdi pažangių technologinių sprendimų šaltinis.
Komentarai