Biomimetik
Hvordan robotteknologi kan tage inspiration fra naturen
Fra at være en kilde til underholdning for science fiction-forfattere til at blive et udviklingsværktøj for menneskeheden, har robotter og robotteknologi tilbagelagt en lang vej.
Mellem 2016 og 2028 forventes det globale robotmarked at vokse fra næsten US$23 billion to more than US$45 billion. I sin begyndelse blev robotteknologi betragtet som noget, der kun ville forblive begrænset til industrielle områder.
Tværtimod udgør service‑robotik nu mere end halvdelen af robotmarkedet. Robotter bruges i dag bredt i bilindustrien, kemisk industri, el‑/elektronikindustri, fødevareindustri, medicinsk industri og mere. Endnu mere innovativt sikrer robotleverandører anvendelse i mere traditionelle områder såsom landbrug, husholdningsarbejde og underholdning.
Selvom robotteknologiens rolle har været transformerende i mange konventionelle områder, kan den lære noget af verden omkring os? I dag ser vi nærmere på scenarier, hvor robotteknologi kan tage inspiration fra naturen.
Hvordan bio‑inspireret robotteknologi kan berige sig selv fra hvirvlende vandbiller
Kendt som verdens hurtigst svømmende insekt kan hvirvlende vandbiller opnå en acceleration på 100 meter per sekund og en topfart på 100 kropslængder per sekund, eller præcist 1 meter per sekund. Men hvordan opnår de sådan hastighed og acceleration?
Deres svømme‑strategi blev undersøgt af forskere og offentliggjort i tidsskriftet Current Biology. Undersøgelsen havde titlen, ‘Whirligig Beetle Uses Lift-Based Thrust for Fastest Insect Swimming.’
Forskningen anvendte to højhastighedskameraer synkroniseret fra forskellige vinkler. Resultatet var videoen, der detaljerede svømmemekanismen: løft‑baseret skyvekraft. Den fungerede på samme måde som en propeller, hvor skydebevægelsen foregik vinkelret på vandoverfladen. Mekanismen hjælper med at eliminere modstand og tilfører mere momentum for større hastighed.
Hvorfor er denne opdagelse vigtig? Selvom løft‑baseret skyvekraft allerede er blevet identificeret i store organismer, viser denne undersøgelse, at fænomenet også gælder på en længdeskala så lille som 1 centimeter.
Ifølge Chris Roh, assisterende professor i biologisk og miljøteknik på College of Agriculture and Life Science, taler denne opdagelse til bio‑inspireret robotteknologi og andre ingeniørfællesskaber om først at identificere den rette fysik og derefter forsøge at bevare den fysik i skabelsen af robotten.
Mere specifikt mener Roh, at dette fænomen kan anvendes i udviklingen af ubemandede robotskibe, som kan være meget mindre og mere fleksible ved at udnytte de løft‑genererende fremdriftsmekanismer fra hvirvlende vandbiller. USA er i færd med at udvikle sådanne både, som vil være fri for de begrænsninger, der følger med at skulle huse et besætning.
Denne forskning får os til at se robotteknologi i et nyt lys. Det er altid muligt at tage inspiration fra naturen og omvendt designe dem til menneske‑mekaniske designs. Vi har fundet flere eksempler på sådan synergi mellem natur/mennesker og maskinen.
Octopus‑inspireret robot, der blev hyldet som fremtiden for blød robotteknologi
Skabt i 2016 af Cecilia Laschi, professor ved Sant’Anna’s BioRobotics Institute i Pisa, Italien, var Octopus‑inspireret robot var enormt fleksibel og kunne reagere på sit miljø med langt større følsomhed og præcision end de fleste andre bløde robotter, der var udviklet indtil da. På Laschis ord:
“Dette relativt nye forskningsområde har potentialet til at omvælte vores forestillinger om, hvad robotter er i stand til, og hvor de kan være nyttige.”
Robotten, som krævede langt mindre computerkraft og var meget bedre til at bevæge sig på ujævnt terræn, kunne suge væske ind og derefter udstøde den fra sin krop. Den kunne skride over det ru havbund ved hjælp af alle sine otte ben.
Robotten blev bygget med elektro‑aktive polymerer, der krøllede sig, når de blev udsat for elektricitet. Robotten gennemgik succesfulde tests i Middelhavet i begyndelsen af 2016. Dens udvikling har hjulpet feltet for blød robotteknologi med at gøre betydelige fremskridt siden da.
I et tilfælde, i 2017, Harvard University kom op med Octobot, en blød robot, hvor alle mekaniske komponenter blev erstattet af tilsvarende bløde systemer. Den blev 3D‑printet og havde indlagte kanaler, der lettede strøm‑ og bevægelsesstyring, drevet af gas‑baseret pneumatisk kraft.
Udover de octopus‑inspirerede udviklinger har bio‑inspireret robotteknologi også efterlignet andre dyr. Ingeniørerne ved École Polytechnique Fédérale de Lausanne udviklede for eksempel en robot, der efterlignede en salamanders bevægelse.
Et andet forskerteam hentede inspiration fra slanger. På grund af deres evne til at bevæge sig gennem komplekse og indviklede terræner, kan disse robotter vise sig nyttige i rumforskning.
Pleurobot og Snakebot: Robotteknologi, der gjorde komplekse bevægelser mulige
Pleurobot henter inspiration fra en salamanders bevægelse. Den har en unik rygrad, der hjælper robotten med at glide ind og ud af vandet. Den har 11 rygsøjlesegmenter. Synligt var udviklingen af robotten rettet mod at genstimulerende den måde, den menneskelige rygmarv fungerer på samt den måde, hjernen interagerer med den.
At efterligne en salamanders bevægelse gennem en robot var et vigtigt gennembrud, fordi salamandere kan skifte fra krybning til gang til svømning ved at udføre den samme bevægelse. De ændrer kun hastigheden. Sådanne innovationer kan vise sig transformerende og revolutionerende, når de overføres til maskiner og robotter.
Snakebot, derimod, var et resultat af en gruppe forskere fra Carnegie Mellon University. De havde til formål at udvikle en robot, der kunne efterligne en slanges bevægelse ved at kravle gennem svært terræn, gennem murbrokker og omkring forhindringer. Robotten var 37 tommer lang og 2 tommer i diameter og havde 16 led. Senest rapporteret har NASA implementeret disse robotter i deres rumforskningsprojekter.
Med disse udviklinger og mange flere er robotter, der tager inspiration fra naturen, også kendt som bio‑inspireret robotteknologi, blevet store. Massachusetts Institute of Technology, en af verdens mest beundrede og respekterede institutioner for ingeniørlæring, har et kursus i bio‑inspireret robotteknologi under sin afdeling for maskinteknik.
Kurset har til formål at fremme en “tværfaglig tilgang til bio‑inspireret design, med vægt på principudtræk, der kan anvendes på forskellige robotteknologiforskningsområder, såsom robotteknologi, proteser og menneskelige assistentteknologier.”
Det er ikke kun store institutioner, der er interesserede, men også store teknologivirksomheder engagerer sig i bio‑inspireret robotteknologi med stor entusiasme. For eksempel har Boston Dynamics, et firma opkøbt af Hyundai i 2021 til en værdi af US$1,1 milliarder, udviklet en robot, der efterligner en hund for at udføre mange vanskelige opgaver. Den firbenede maskine blev kaldt Spot.
1. Boston Dynamics’ Spot: En firbenet robot, der efterligner en hund
Udviklet som en hovedløs gul hund, Spot fra Boston Dynamics, kunne klatre op ad bakker og navigere trapper. Enheden kostede US$74,500. Den tjente mange formål, fra inspektion af fabrikker, byggepladser og farlige miljøer, den kunne klatre trapper og endda navigere dem.
Spot kan nu operere 24X7, uden indblanding. Den kan oplade sig selv autonomt og omplanlægge omkring nye forhindringer dynamisk. Ifølge officielle tal, Spot‑robotterne har nået mere end 1,000 kunder indtil nu.
Spot betjener en række industrier, herunder fremstilling, energi og naturressourcer, byggeri, akademia og uddannelse samt regering.
Efter at Hyundai lukket sin aftale om at overtage Boston Dynamics, ejede den 80 % af virksomheden. SoftBank, gennem en af sine affiliates, havde kontrol over de resterende 20 %.
Hyundai offentliggjorde sine konsoliderede finansielle rapporter for 2022 den 21. marts 2023. Selskabet tjente 6,126,969 millioner koreanske won i 2022, en betydelig stigning fra 3,782,498 millioner koreanske won i 2021. Udbyttet betalt i 2022 var 7,207 millioner.
2. ABB’s opkøb af SevenSense: Et gennembrud i udviklingen af natur‑inspirerede robotter
ABB, en anden global robotikgigant, købte for nylig Sevensense, en schweizisk startup der specialiserer sig i at øge mobiliteten for industrielle robotter. Mere specifikt udvikler og fremstiller SevenSense sensor‑ og AI‑drevne robotsystemer, der har øje‑ og hjernefunktioner til at manøvrere rundt i fabrikker og dække hele fabriksområdet.
Løsningerne vil ikke forblive begrænset til leverede produktionslinjer, der normalt bruger faste magnetiske striber. Disse robotter kan flytte 2 ton materialer med hastigheder på 1,5 meter per sekund. De kommer med seks kameraer. Ifølge Sami Atiya, ABB’s chef for robotik og diskret automation:
“Under det gamle system, når du skulle ændre en produktionslinje på 100 meter, f.eks. ved at tilføje en ny produktionscelle, var det umuligt at omdirigere robotten. Nu kan vi gøre det let.”
Ifølge deres seneste tilgængelige finansielle rapport, havde ABB en årlig omsætning på US$29,4 billion i 2022, sammenlignet med US$28,9 billion i 2021.
3. Yamahas menneskelige rytter‑inspirerede Motobot
Ikke kun havdyr og vores firbenede venner, men robotter tager også inspiration fra os mennesker. Yamahas unikke projekt, Motobot, har til formål at skabe en ideel humanoid robot, der kan betjene et køretøj uændret for autonom brug. Motobot kan autonomt betjene køretøjet ved at tage data fra køretøjets hastighed, motorens omdrejningstal, maskinens attitude og lignende parametre.
Yamaha planlægger at udstyre Motobot med højpræcisions‑GPS, sensorer osv., så den får maskinens positionsgenkendelses‑kapacitet og kan træffe mere velovervejede beslutninger om de bedste linjer på en racerbane og motorcyklens præstationsgrænser.
For at udvikle Motobot har Yamaha indgået partnerskab med SRI International, et førende globalt forskningsinstitut. Visionen er at hente inspiration og viden fra de underliggende teknologier, der er aktive i udviklingen af MOTOBOT, såsom robotstyring og menneske‑maskine‑grænseflade‑oprettelse.
(TYO: )
Ifølge deres seneste tilgængelige årsrapport for FY 2022 tjente Yamaha en omsætning på mere end 408 milliarder japanske yen i året med en kerne‑driftsprofit på 43 milliarder japanske yen.
En liste over uendelige udviklinger
I vores begrænsede tid kunne vi diskutere flere banebrydende eksempler, hvor robotteknologi har hentet betydelig inspiration fra naturen. Men en gennemgang af de tilgængelige forskningspublikationer viser, at det kun var toppen af isbjerget. Robotteknologi, som en strøm af studier, forskning, udvikling og anvendelse, har hentet betydeligt fra naturen og vil fortsætte med at gøre det.
Robotdroner er for eksempel i høj grad inspireret af fugle. Ikke kun med hensyn til deres flyvemekanisme, men fugle inspirerer også droner til at flyve effektivt i dårligt vejr og i stærk vind.
Dykfugle førte til oprettelsen af Aquatic Micro Air Vehicle (AquaMAV) ved Aerial Robotics Laboratory på Imperial College London. Disse AquaMAV’er kan dykke ned i vandet med høj hastighed, poppe op igen og udstøde vand gennem en jet. Disse løsninger anvendes i en række tilfælde, herunder indsamling af vandprøver til redningsmissioner eller udforskning under vand.
Sommerfugle har inspireret mikrorobotter til at have en særlig type vingestruktur, der kan hjælpe dem med at flyve længere og undgå ulykker.
Boston Dynamics, et af de virksomheder vi allerede har diskuteret, har en anden robot kaldet Atlas, som er en intelligent bipedal humanoid.
Jessiko er en undervandsrobot, der bruger finner til at bevæge sig gennem vandet. DelFly Micro er en 3,07‑gram flappende‑vinge‑robot, som – som navnet antyder – er inspireret af fluer. Verden har også set fremkomsten af skildpadde‑inspirerede 3D‑printede, firbenede bløde robotter.
Naturens millioner af dyr og insekter har udviklet evner, der gør dem i stand til at udføre fantastiske ting. Mennesker er ingen undtagelse. At lære, hvordan disse kroppe fungerer, vil åbne mange muligheder for robotter.
Mange opgaver, der kræver at mennesker rejser til risikable steder, kunne udføres gennem disse robotter. Disse robotter kan ikke kun udføre disse opgaver, men kan gøre dem med større hastighed og effektivitet samt med finhed og præcision. De kan hjælpe med at udføre mange gentagne opgaver for at skabe mere tid for den menneskelige hjerne til at gøre, hvad den gør bedst: idéudvikle og skabe nye ting for at fremme civilisationen.
