Moniskaalan imua hyödyntävän robotiikan edistäminen

Robotit ja robotiikan tutkimus ovat jatkuvasti kehittyvä ala, joka jatkaa uusien mahdollisuuksien etsimistä prosessiemme tehostamiseksi ja optimoimiseksi. Nämä ponnistelut ja tutkimukset saavat usein inspiraationsa ympäröivästä luonnosta ja eläinkunnasta. Esimerkiksi Bristolin yliopiston tutkijatkehittivät robottisen imukupin jolla on erittäin mukautuvat imukykyominaisuudet, samankaltaiset kuin mustekalan biologisilla imukuppiilla. 

Mustekalan inspiroima imumekanismi roboteissa

Kaikki alkoi Bristol Robotics Laboratoryin tutkiessa mustekalan biologisten imukuppien rakennetta, jotka osoittavat erittäin korkean imukykyisen tason ja voivat kiinnittyä mihin tahansa kiveen mahdollisimman optimoidulla tavalla. Tämä tutkimus johti monikerroksisen pehmeän rakenteen ja keinotekoisen fluidisen järjestelmän luomiseen, joka pystyi käyttäytymään kuin mustekalan lihaskudos ja limakalvot.

Selittäessään tämän tutkimuksen merkittävintä saavutusta, Tianqi Yue, paperin pääkirjoittaja, sanoi seuraavaa: “Tärkein kehitys on, että olemme onnistuneesti osoittaneet mekaanisen muodonmuutoksen – pehmeiden materiaalien käyttö pinnan muotoon mukautumiseksi – ja nestesealauksen – veden levittäminen kosketuspinnalle imukyvyn parantamiseksi monimutkaisilla pinnoilla – yhdistelmän tehokkuuden. Tämä saattaa myös olla salaisuus, jonka takana biologisilla organismeilla on kyky saavuttaa mukautuva imukyky.”

Tämän vuoksi avainkehitys on mennä askeleen pidemmälle kuin nykyinen keinotekoinen imu ja siirtyä mukautuvan imun alueelle – kyky kiinnittyä vaikeimpiin ja monimutkaisimpiin pintoihin. Tämä vaati monimutkaisen imumekanismin, ja tutkimus osoitti, miten sen saavuttaa. 

Historiallinen tutkimus paremman ymmärryksen saamiseksi siitä, miten mustekalan imukuppi toimii

Se, miten mustekalan imukyky toimii, on pitkään ollut tieteellisen yhteisön kiinnostuksen kohteena. Tutkijat tiesivät, että mustekalat voivat liikuttaa imukuppejaan itsenäisesti ja tarttua esineisiin tarpeen mukaan. 

Tutkimus jonka toteuttivat tutkijat Livornosta tutki mustekaloja yli vuosikymmen sitten ja havaitsi, että niiden imukuppien sivut ja reunat olivat ainutlaatuisesti rakennettuja. Niiden imukuppeissa oli pieniä, keskittyneitä uria, jotka auttoivat muodostamaan vahvan tiivistyksen mihin tahansa karuun pintaan veden alla. 

Samankaltaisia uria havaittiin myös yläosassa, mikä johti tiivisteeseen, joka oli tehokas ja vahva, mutta matalapaineinen.

Tutkiessaan tarkemmin tätä matalapaineista ilmiötä, tutkijat saivat lisää oivalluksia imukuppeista. He havaitsivat, että kun imukuppien sivut ja reunat olivat pehmeitä, yläosa oli paljon jäykempi. Tämä vähäisempi joustavuus auttoi todennäköisesti paikallisen matalapaineen syntymisessä, mikä teki kiinnittymisestä parempaa, kestävämpää ja tehokkaampaa.

Tämän löydön jälkeen on keskusteltu mustekalan imumekanismin jäljittelemisestä roboteissa. Nyt näemme, että ponnistelut kantavat hedelmää. 

Moni-imumekanismi ja miten se murrettiin!

Tutkimus ehdotti, että tämä mustekalan kaltainen moni-imumekanismi voitaisiin jäljitellä orgaanisen yhdistelmän avulla, jossa on mekaaninen muodonmuutos ja säännelty vesitiiviste. Robottiratkaisu käyttämät monikerroksiset pehmeät materiaalit loivat aluksi karkean mekaanisen muodon alustan pinnalle, mikä lopulta vähensi vuotavia aukkoja mikrometreihin. Nämä mikronikokoiset aukot tiivistettiin sitten säännellyn vesierittymisen avulla keinotekoisesta fluidisesta järjestelmästä. 

Tämän tutkimuksen tulevaisuuden vaikutukset

Korostaessaan mahdollisia sovellusalueita, tutkijat totesi, että tämä kehitys voisi raivata tietä robottikäsiin, jotka pystyvät käsittelemään monenlaisia monimutkaisia kuivia pintoja. He korostivat tämän moniskaalan mukautuvan imumekanismin merkitystä tehokkaampien ja ainutlaatuisten mukautuvien imustrategioiden kehittämisessä, mikä voisi johtaa monipuoliseen, pehmeään kiinnittymismekanismien spektriin.
Korostaessaan parannusta, jonka tämä ratkaisu tuo olemassa oleviin ratkaisuihin, Tianqi Yue sanoi:

“Nykyiset teolliset ratkaisut käyttävät jatkuvasti toimivia ilmapumppuja aktiivisesti tuottamaan imua, mutta ne ovat meluisia ja kuluttavat energiaa.”

Nykyinen ratkaisu ei tarvitse pumppua, joten se on parempi. Ja kuten sen kehittäjät odottivat, nykyinen ratkaisu johtaisi seuraavan sukupolven robottikäsiin, jotka pystyvät tehokkaasti tarttumaan erilaisiin epäsäännöllisiin esineisiin. Tiimi suunnittelee älykästä imukuppia, jossa on upotetut anturit, jotka pystyvät säätelemään kupin käyttäytymistä.
Vaikka tämä tutkimus ja sen ehdottama ratkaisu ovat ehdottomasti läpimurto, tieteellinen ja robotiikan yhteisö on aina saanut inspiraatiota mustekaloista. 

Upea olento, joka on mustekala

Mustekalan geneettinen koostumus on niin ainutlaatuinen, että se poikkeaa merkittävästi lähes kaikista planeetan olennoista. DNA-tutkimus mustekaloista paljasti, että niillä on noin 33 000 geeniä, noin 10 000 enemmän kuin ihmisellä. Toisin kuin ihmiset ja monet muut eläimet, jotka voivat parantaa geneettistä koodiaan, mustekaloilla on uskomaton kyky muokata omaa RNA:taan. 

Myös ihmisillä oli joitakin samankaltaisuuksia. Nämä samankaltaisuudet auttoivat niitä tulemaan älykkäämmiksi kuin ihmiset. 

Esimerkiksi mustekaloilla on joukko ihmisille ominaisia geenejä, jotka vaikuttavat aivojen hermoverkkoon. Tämä hermoverkko tekee niistä sopeutuvia erilaisiin olosuhteisiin ja nopeita oppijoita. Lisäksi niiden kyky muokata RNA:taan parantaa niiden sopeutumiskykyä, mikä mahdollistaa niiden kestävän syvän meren äärimmäistä kylmyyttä. 

Kuten visuaalisesti havaitaan, mustekaloilla on suuri aivot. Ja kuten ihmisillä, niillä on suljettu verenkierto, iiriksen suojaamat silmät, verkkokalvo ja linssi. 

Mustekaloilla on myös huippuluokan naamiointikyky. Nyt kun niiden geneettinen koodi on purettu, tiedemiehet voivat helpommin ymmärtää, miten ne saavuttavat tämän. Ne muuttavat ihon värin millisekunneissa, mikä on hyödyllistä neurotieteilijöille, kankaiden insinööreille ja rakennesuunnittelijoille. 

Mustekalan mieli

Mustekalan fysiologinen loisto, erityisesti sen suuri aivot, on innostanut tiedemiehiä tutkimaan sen kognitiivisia prosesseja syvemmin. 
Vuonna 2016 Peter Godfrey-Smith, arvostettu filosofian professori Graduate Centerissä, City University of New Yorkissa, sekä historian ja tieteen filosofian professori Sydneyssä, Australiassa, kirjoitti kirjan nimeltä ‘Other Minds: Mustekala, meri ja tietoisuuden syvät alkuperät.‘ Siinä hän kirjoitti:

“Mustekalat ja niiden sukulaiset (mustekalat ja kalmarit) edustavat mielen monimutkaisuuden saarta selkärangattomien eläinten meressä. Koska ensimmäiset kohtaamiseni näiden olentojen kanssa olivat noin vuosikymmen sitten, olen ollut kiehtoutunut voimakkaasta sitoutumisen tunteesta, joka on mahdollinen heidän kanssaan vuorovaikutuksessa.”

Kirjassa professori Godfrey-Smith korosti, että tavallisella mustekalalla on noin 500 miljoonaa hermosolua kehossaan. Vaikka tämä on paljon vähemmän kuin ihmisillä—lähes 100 miljardia—mustekalat ovat melko älykkäitä koska ne voivat navigoida yksinkertaisissa labyrinteissä ja käyttää visuaalisia vihjeitä tehokkaasti erottamaan kaksi erilaista mutta tuttua ympäristöä ja valitsemaan parhaan reitin. 
Älykkyyden ja fysiologisen ainutlaatuisuuden yhdistelmä saa mustekalat erottumaan joukosta. Pohjimmiltaan robotiikan ala on aina pyrkinyt saavuttamaan tämän tilan, jossa älykkäät välineet suorittaisivat monimutkaisia tehtäviä. Ei ole yllättävää, että robotiikan opiskelijat ovat jatkuvasti tutkineet tätä upeaa olentoa. Laitos- ja tutkimusryhmien lisäksi useat tunnetut yritykset ovat aktiivisia tällä alalla. 

#1. ABB

Yksi yritys, joka on aina ollut kiinnostunut jäljittelemään mustekalan kykyjä tuotteissaan, on ABB. Vuonna 2018 ABB Technological Ventures, ABB:n strateginen riskipääomasijoitusyksikkö, solmi kumppanuuden Soft Roboticsin kanssa, joka on Whitesides Groupin spin-off. 
https://www.youtube.com/watch?app=desktop&v=0-2B1Vn75Qg&embeds_referring_euri=https%3A%2F%2Frodinanews.co.uk%2F&feature=emb_imp_woyt

Inspiroituneena mustekalan lonkkojen toiminnallisuudesta, Soft Robotics kehitti pehmeitä robottisia toimilaitteita polymeereista, jotka toimivat ilman antureita tai elektromekaanisia laitteita. Yritys rakensi ja upotti laskentatehon suoraan tarttijaan ja kehitti omaa seosta materiaaleja mikrofloidaalisilla kanavilla, jotka jäljittelevät ihmisen käden pehmeitä kudoksia. 

Viimeaikaiset kehitykset moniskaalan imun integroimisessa edistyneeseen robotiikkaan voivat parantaa näiden teknologioiden tehokkuutta ja suorituskykyä. 

Mustekalat, jotka tunnetaan korkeasta älykkyydestään ja kehittyneistä silmärakenteistaan, jotka muistuttavat ihmisiä, ovat inspiroineet merkittäviä kehityksiä robotiikassa. Tänä vuonna, ABB hankki Sevensensen, sveitsiläinen teknologiayritys, joka on erikoistunut teollisten robottien liikkuvuuden parantamiseen varustamalla ne visuaalisilla ja kognitiivisilla ominaisuuksilla.

Vuonna 2023 ABB Group raportoi liikevaihdoksi 32,2 miljardia Yhdysvaltain dollaria. Yritys teki myös merkittävän 1,3 miljardin dollarin investoinnin tutkimukseen ja kehitykseen. Samaan aikaan sen operatiivinen EBITA-marginaali oli lähellä 17 %.

#2. Festo

Toisessa tapauksessa, jossa johtava robotiikkayritys on jo osoittanut kiinnostusta ja saattaa hyödyntää moniskaalan imua edelleen kykyjensä parantamiseksi, tarkastelemme saksalaista robotiikkayritystä Feston robotti, joka on inspiroitu mustekalasta. 
https://www.youtube.com/watch?v=WeEJrJNpvP0

Alun perin nimeltään OctopusGripper, tämä robottilaite pystyi poimimaan, pitämään ja asettamaan esineitä käyttämällä yhdistelmää imukuppeja ja ilmaa. Se on sittemmin nimetty Tentacle Gripperiksi. Yritys kuvaa tätä bionista tarttijaa pehmeänä silikonirakenteena joka voidaan pneumaatisesti ohjata. Kun pakattu ilma syötetään, tarttija voi taipua sisäänpäin, mahdollistaen sen kääriytymisen esineiden ympärille turvallisesti. 

Rakenneellisesti tarttijassa on kaksi riviä imukuppeja kiinnitettynä silikonitentakkeleiden sisäpuolelle. Pienet imukupit on sijoitettu tarttijan kärkeen, antaen passiivisen vaikutuksen, kun taas suuremmat imukupit, jotka toimivat tyhjiön avulla, auttavat esinettä kiinnittymään tarttijaan tiukasti.

Festo testasi robottia kahdella pneumaatillisella kevyellä robotilla, jotka myös kehitettiin Bionic Learning Networkissa: BionicMotionRobot ja BionicCobot. Niiden kinematiikan vuoksi molemmat robotit olivat joustavia ja niitä voitiin jäykistää monin eri tavoin.

Koska keinotekoinen tentakeli kehitettiin pehmeästä materiaalista, se pystyi tarttumaan hellästi ja pehmeästi. Yritys väitti, että ratkaisuilla on suuri potentiaali futuristisille yhteistyöympäristöille. 

Liikevaihdon osalta vuoden 2023 talousvuosi oli yritykselle konsolidointivuosi. Tämän mukaan yhteen Feston lehdistötiedotteista, sen kirjattu liikevaihto oli hieman alle edellisen vuoden tason (—4,3 % noin 3,65 miljardia euroa).

Huolimatta pienestä liikevaihdon laskusta, yritys väitti jatkaneensa suuria investointeja tutkimukseen ja kehitykseen sekä alueellisen markkinatarjonnan laajentamiseen. Tarkemmin sanottuna yritys investoi vuonna 2023 7,7 % liikevaihdostaan tutkimukseen ja kehitykseen.

Robotiikassa luonnosta ja eläinkunnasta ammennettu inspiraatio

Tänään keskustelimme yhdestä erityisestä esimerkistä, jossa robotiikka ammentaa vinkkejä mustekalan imukuppeista. Laajemmasta näkökulmasta se voi ottaa vinkkejä koko luonnon maailmasta ympärillämme. Ja useita bio-inspiroituja robotiikka-aloitteita on jo toiminnassa julkisella sektorilla. 

Esimerkiksi tammikuussa 2024, tutkimus julkaistiin esittelemässä autonomista kasvavaa robottia, joka on inspiroitu kiipeävien kasvien käyttäytymisstrategioista sopeutuakseen rakenteettomiin ympäristöihin. Nämä robotit voivat jäljitellä kiipeävien kasvien apikaalisia versoja havaitakseen ja koordinoidakseen lisäkasvua upotetun lisävalmistusmekanismin ja sensoroidun kärjen avulla.

Merkittävää tutkimusta tapahtui myös materiaalien yhteensopivuuden alueella, jotka sopivat pehmeän robotin valmistukseen. Muutama vuosi sitten, tiimi University of Minnesota Twin Cities tiedemiehiä ja insinöörejä kehitti kasveista inspiroitua prosessia synteettisen materiaalin kasvun mahdollistamiseksi. 

Tämä ratkaisu voisi auttaa tutkijoita valmistamaan parannettuja pehmeitä robotteja, jotka pystyvät navigoimaan monimutkaisissa maastoissa, jopa ihmisen kehon sisällä. Matthew Hausladenin, paperin ensimmäisen kirjoittajan, mukaan tutkijat olivat todella inspiroituneita siitä, miten kasvit ja sienet kasvavat. Tutkijat sanoivat:

“Me (tutkijatiimi) otimme idean siitä, että kasvit ja sienet lisäävät materiaalia kehon lopussa, joko juuripäissä tai uusissa versoissa, ja käänsimme sen insinöörijärjestelmäksi.” 

Luonnon maailma on kokenut äärettömän enemmän muutoksia ja siirtymiä kuin voimme mahdollisesti kuvitella, eläinten selviytyessä ja sopeutuen vuosituhansien ajan. Meidän on tutkittava näiden uskomattomia sopeutumistekniikoita tarkasti ja tarkasteltava niitä yksityiskohtaisemmin. Niiden todellisessa hengessä jäljittelemisen yrittäminen auttaisi meitä aina saavuttamaan paljon enemmän kuin voimme kuvitella tieteiden ja teknologian aloilla. 

Klikkaa tästä saadaksesi luettelon kymmenestä parhaasta robotiikkayrityksestä.