Šiandien vandenyno dugną tyrinėjantys robotai savo darbui atlieka iš anksto užprogramuotus judesius, centralizuotus procesorius ir standžias konstrukcijas. Tačiau jūra yra nenuspėjama, o architektūra kovoja visur, kur pasislenka srovės, krenta matomumas ar keičiasi reljefas be įspėjimo. Dabar Italijos technologijos instituto (IIT) mokslininkai ėmėsi visai kitokio požiūrio, kad išvengtų viso to – jau 500 milijonų metų.
Jų įkvėpėjas yra aštuonkojai. Gyvūnas turi mažas centrines smegenis, tačiau maždaug 60% jo neuronų yra pasiskirstę aštuoniuose jo čiuptuvuose. Kiekviena ranka gali apdoroti informaciją vietoje ir sukelti refleksus, pavyzdžiui, grobį, nelaukdama nurodymų iš smegenų. Tai decentralizuota nervų sistema, kuri milijonus metų nepriekaištingai veikė nenuspėjamoje aplinkoje. IIT komanda atkartojo šią architektūrą, bet naudodama silikoną ir elektroniką.
Rezultatas – minkšta 41 cm (16 colių) ilgio ir 4 cm (1,6 colio) skersmens prie pagrindo roboto ranka su 10 dirbtinių siurbtukų, kurie siaurėja link galo, kaip tikras aštuonkojo čiuptuvas. Jokių kamerų, išorinių kompiuterių ar centralizuoto valdymo.
„Iš aštuonkojų įkvėpimo sėmėmės sukurti robotų sistemą, kurioje suvokimas ir veiksmas būtų integruoti ir paskirstyti visame kūne“, – aiškina Barbara Mazzolai, IIT „Bioinspired Soft Robotics“ laboratorijos direktorė ir pagrindinė tyrimo autorė. „Šis metodas leidžia robotui interpretuoti kontaktą ir pritaikyti savo sukibimą savarankiškai, paprastai ir natūraliai.
Kiekvienos čiulptuko viduje trys poros šviesos diodų ir fototranzistorių – miniatiūriniai optiniai komponentai, matuojantys atspindėtą šviesą – veikia kaip čiuptuvo nervų sistema. Kai daiktas paliečia siurblį, silikonas deformuojasi ir keičia šviesos atspindžio modelį. Sistema paverčia šį poslinkį į tris duomenis: ar buvo kontaktas, kaip sunku ir kokiu kampu.
Jautrumas siekia maždaug 400 milivoltų vienam niutonui, o jėgos paklaida yra tik 0,1 N, maždaug kelių sąvaržėlių svoris. Krypties tikslumas yra vienodai ryškus, o didžiausia paklaida yra mažesnė nei 18 laipsnių, o vidurkis yra maždaug 8 laipsniai, panašus į tarpą tarp dviejų iš eilės skaičių laikrodžio ciferblate.
Valdymas veikia dviem sluoksniais. Pirmasis yra grynai vietinis: kiekvienas siurblys turi savo grandinę, kuri paleidžia siurbimą tuo metu, kai aptinka kontaktą, nelaukiant užsakymų. Antrasis sluoksnis gauna duomenis iš visų čiulptukų, analizuoja objekto padėtį maždaug keturių sekundžių lange ir nusprendžia visuotinę sugriebimo strategiją – ar čiuptuvą riesti aukštyn, žemyn ar pasukti – prireikus nepaisydamas vietinių sprendimų.
„Integruodama jutiklius ir signalų apdorojimą tiesiai į siurbtukus, ranka reaguoja į kontaktą realiu laiku ir tiksliai, nepasitikėdamas centralizuotu valdymu“, – sakė Emanuela Del Dottore, Bioinspired Soft Robotics Laboratory tyrėja iš IIT ir pirmasis tyrimo autorius. „Rezultatas yra keičiamo dydžio ir tvirta sistema, sukurta veikti sudėtingoje aplinkoje, įskaitant povandeninį”.
IIT – Italijos technologijos institutas
Visi eksperimentai buvo atlikti visiškai po vandeniu. Ranka sėkmingai aptiko stiklinius butelius ir puodelius jau judant, įvertino sugriebto objekto svorį 72,5 g (2,6 uncijos), palyginti su faktiniu 85 g (3 uncijos) svoriu, ir manipuliavo skirtingais kampais padėtais objektais, įskaitant dirbtinę jūrų žvaigždę. Maksimali naudingoji apkrova siekė apie 500 g (1,1 svaro), o jutikliai išlaikė savo tikslumą po 300 pakartotinio naudojimo ciklų.
Kadangi kiekvienas siurblys siunčia tik kontakto kryptį pagrindiniam valdikliui, o ne visus neapdorotus duomenis, sistemai reikia daug mažesnio pralaidumo ir ji gali lengvai pritaikyti daugiau čiulptuvų ar kelių čiuptuvų neprarandant atsako greičio.
Dizainas taip pat yra modulinis. Siurblių skaičius ir išdėstymas gali būti perkonfigūruotas skirtingoms misijoms. Neatidėliotinas pritaikymas apima povandeninės infrastruktūros, pvz., vamzdynų, kabelių ir platformų, patikrinimą, taip pat biologinių mėginių atkūrimą aplinkoje, kurioje standūs robotai negali pasiekti.
IIT ranka prisijungia prie lauko, kuris jau daugelį metų siekia aštuonkojų įkvėpimo. 2017 m. Vokietijos automatikos įmonė „Festo“ Hannover Messe pristatė savo „OctopusGripper“ – pneumatiniu būdu valdomą silikoninį čiuptuvą su dviem eilėmis siurbtukų, kurie apgaubia objektus, kai naudojamas suslėgtas oras. Tai sumani konstrukcija, tačiau vis tiek priklauso nuo išorinio slėgio valdymo ir žmogaus veikimo.
Visai neseniai Bristolio universiteto mokslininkai ėmėsi visiškai kitokio kampo: užuot atkartoję aštuonkojo čiuptuvo formą, tyrė jo gleives. Jų 2024 m. siurbtukas naudoja daugiasluoksnę minkštą struktūrą ir dirbtinę skysčių sistemą, kuri imituoja tai, kaip aštuonkojų gleivės užsandarina spragas ant šiurkščių, išlenktų paviršių, todėl gali sugriebti akmenis, medieną ir netaisyklingus objektus, kurie nugali įprastus siurbtukus.
Dar visai neseniai mokslininkai iš Pekino universiteto Pekine, Singapūro nacionalinio universiteto, Džedziango universiteto ir Pekino technologijos instituto sukūrė sistemą, imituojančią galvakojų sugriebimo strategiją – OUT-Robot griebtuvas gali greitai persijungti iš lanksčios ir standžios būsenos, kad galėtų rūšiuoti ir sugriebti įvairios formos, lankstumo ir svorio objektus.
Tai, kas išskiria IIT dizainą nuo abiejų, yra savarankiškumas. Jis ne tik sugriebia, bet ir nusprendžia, kaip sugriebti. Nepaisant to, komanda pripažįsta, kad dabartiniuose eksperimentuose buvo naudojami gana paprastos geometrijos objektai. Kiti žingsniai apima bandymus su įvairesnėmis formomis ir svoriais bei neuromorfinio skaičiavimo integravimą, kad sistema dar labiau priartėtų prie tikrosios aštuonkojo nervinės grandinės.
Tyrimas buvo paskelbtas žurnale Gamtos mašinos intelektas.
Šaltinis: IIT
Nuoroda į informacijos šaltinį