Miten robotiikka voi ottaa vihjeitä luonnosta

Siitä, että robotit ja robotiikka olivat alun perin tieteiskirjailijoiden viihteen lähde, on kehittynyt ihmiskunnan kehitystyökaluksi, on kuljettu pitkä matka. 

Vuosina 2016–2028 globaalin robotiikkamarkkinan odotetaan kasvavan lähes US$23 miljardia yli US$45 miljardia. Alussa robotiikka nähtiin tuotteena, joka pysyisi rajoittuneena teollisuusympäristöihin. 

Toisinpäin, yli puolet robotiikkamarkkinasta koostuu nykyään palveluroboteista. Robotit ovat tänä päivänä laajasti käytössä autoteollisuudessa, kemianteollisuudessa, sähkö‑/elektroniikkateollisuudessa, elintarviketeollisuudessa, lääketieteessä ja muilla aloilla. Innovatiivisemmin robotiikkatoimittajat varmistavat sen hyödyntämisen myös perinteisemmillä aloilla, kuten maataloudessa, kotitaloustyössä ja viihteessä. 

Vaikka on totta, että robotiikan rooli on ollut mullistava monilla perinteisillä aloilla, voiko se oppia jotain maailmasta ympärillämme? Tänään tarkastelemme tarkasti tilanteita, joissa robotiikka voi ottaa vihjeitä luonnosta. 

Miten bio‑inspiroitu robotiikka voi rikastua pyörähtelevistä kovakuoriaisista

Maailman nopeimpana uimisenä tunnettuina pyörähtelevinä kovakuoriaisina ne voivat saavuttaa kiihtyvyyden 100 metriä sekunnissa ja huippunopeuden 100 ruumiinpituutta sekunnissa, eli tarkemmin 1 metri sekunnissa. Mutta miten ne saavuttavat tällaisen nopeuden ja kiihtyvyyden?

Niiden liitostrategiaa tutkivat tutkijat, ja se julkaistiin Current Biology -lehdessä. Tutkimuksen otsikko oli ‘Whirligig Beetle Uses Lift-Based Thrust for Fastest Insect Swimming.’ 

Tutkimuksessa käytettiin kahta eri kulmista synkronoituja nopeuskameroita. Tuloksena syntyi video, joka esitteli liitoperustaisen työntömekanismin. Se toimi samankaltaisesti kuin potkuri, jossa työntöliike tapahtui kohtisuorassa veden pintaa vastaan. Mekanismi auttaa poistamaan vastusta ja lisää liikemäärää nopeuden kasvattamiseksi. 

Miksi tämä havainto on tärkeä? Vaikka on totta, että liftiperusteinen työntö on jo tunnistettu suurikokoisissa organismeissa, tämä tutkimus osoittaa, että ilmiö pätee jo 1 centtimetrin mittakaavassa. 

Chris Rohin, biologisen ja ympäristötekniikan apulaisprofessorin maatalous- ja elintieteiden tiedekunnassa, mukaan tämä löytö puhuu bio‑inspiroivalle robotiikalle ja muille insinööriyhteisöille: ensin on tunnistettava oikea fysiikka ja sitten pyrittävä säilyttämään se robotiikkaa luodessa. 

Tarkemmin sanottuna Roh uskoo, että tämä ilmiö voi löytää sovelluksen miehittämättömien robottialusten kehittämisessä, jotka voivat olla paljon pienempiä ja joustavampia hyödyntämällä pyörähtelevien kovakuoriaisten nostovoimaa tuottavaa propulsiojärjestelmää. Yhdysvallat on kehittämässä tällaisia veneitä, jotka eivät ole sidottuja miehistön majoittamisen rajoitteisiin. 

Tämä tutkimus kehottaa näkemään robotiikan uudessa valossa. On aina mahdollista ottaa vihjeitä luonnosta ja kääntäen suunnitella ne ihmisen ja koneen suunnitelmiin. Olemme löytäneet lisää esimerkkejä tällaisesta synnyryhmästä luonnon, ihmisen ja koneen välillä. 

Mustekalan inspiroima robotti, jota ylistettiin pehmeän robotiikan tulevaisuutena

Vuonna 2016 Cecilia Laschin, Sant’Annan BioRobotics Institute -laitoksen professorin, Pisa, Italia, luoma mustekalan inspiroima robotti oli äärimmäisen joustava ja pystyi reagoimaan ympäristöönsä paljon herkemmin ja tarkemmin kuin useimmat siihen asti kehitetyt pehmeät robotit. Laschin sanojen mukaan:

“Tämä melko uusi tutkimusalue voi mullistaa käsityksemme siitä, mihin robotit kykenevät ja missä ne voivat olla hyödyllisiä.”

Robotti, joka vaati paljon vähemmän laskentatehoa ja oli paljon taitavampi liikkumaan epätasaisessa maastossa, pystyi imemään nestettä ja sitten poistamaan sen kehostaan. Se pystyi kiipeilemään karhealla merenpohjalla käyttäen kaikkia kahdeksaa jalkaansa. 

Robotti rakennettiin sähköaktiivisista polymeereista, jotka muuttuivat sähköön altistuessa. Robotti testattiin menestyksekkäästi Välimerellä vuoden 2016 alussa. Sen kehitys on auttanut pehmeän robotiikan alaa edistymään merkittävästi sen jälkeen. 

Eräässä tapauksessa, vuonna 2017 Harvardin yliopisto kehitti Octobotin, pehmeän robotin, jonka kaikki mekaaniset osat on korvattu vastaavilla pehmeillä järjestelmillä. Se valmistettiin 3D‑tulostuksena ja siinä oli upotettuja kanavia, jotka helpottivat energian ja liikkeen ohjausta, ja se toimi kaasupohjaisella pneumaattisella voimansiirrolla. 

Mustekalan inspiroimien kehitysten lisäksi bio‑inspiroitu robotiikka jäljitteli myös muita eläimiä. Esimerkiksi École Polytechnique Fédérale de Lausanne -insinöörit kehittivät robotin, joka jäljitti salamantereen liikettä. 

Toinen tutkijaryhmä sai inspiraationsa käärmeistä. Koska ne pystyvät kulkemaan monimutkaisessa ja kiemurtelevassa maastossa, nämä robotit voisivat olla hyödyllisiä avaruustutkimuksessa. 

Pleurobot ja Snakebot: robotit, jotka mahdollistivat monimutkaiset liikkeet

Pleurobot ammentaa inspiraatiota salamantereen liikkeestä. Siinä on ainutlaatuinen selkäranka, joka auttaa robottia liukumaan sisään ja ulos vedestä. Siinä on 11 selkärangan segmenttiä. Näköpuolelta robotin kehitys pyrki uudelleenstimuloimaan ihmisen selkäytimen toimintaa sekä aivojen vuorovaikutusta sen kanssa. 

Salamantereen liikkeen jäljittely robotin avulla oli merkittävä läpimurto, koska salamanteret voivat siirtyä ryömimisestä kävelyyn ja uimaan suorittamalla saman liikkeen, muuttamalla vain nopeutta. Tällaiset innovaatiot voivat osoittautua mullistaviksi ja vallankumouksellisiksi, kun ne siirretään koneisiin ja robotteihin. 

Snakebot puolestaan oli Carnegie Mellon -yliopiston tutkijoiden keksintö. He pyrkivät kehittämään robotin, joka jäljittelee käärmeen liikettä ryömien vaikeassa maastossa, romun läpi ja esteiden ympärillä. Robotti oli 37 tuumaa pitkä ja 2 tuumaa halkaisijaltaan, ja siinä oli 16 nivelttä. Viimeisimpien tietojen mukaan NASA on käyttänyt näitä robotteja avaruustutkimusprojekteissaan. 

Näiden kehitysten ja monien muiden myötä robotit, jotka ottavat vihjeitä luonnosta, eli bio‑inspiroitu robotiikka, ovat kasvaneet merkittäviksi. Massachusetts Institute of Technology, yksi maailman arvostetuimmista ja kunnioitetuimmista insinööriopetuksen laitoksista, tarjoaa bio‑inspiroituun robotiikkaan keskittyvän kurssin mekaanisen tekniikan osastollaan. 

Kurssi pyrkii edistämään “tieteidenvälistä lähestymistapaa bio‑inspiroituun suunnitteluun, korostaen periaatteiden poimintaa, joka soveltuu eri robotiikan tutkimusaloihin, kuten robotiikkaan, proteeseihin ja ihmisen avustaviin teknologioihin.” 

Ei vain suuret oppilaitokset ole kiinnostuneita siitä, vaan myös suuryritykset ovat innokkaasti mukana bio‑inspiroituneessa robotiikassa. Esimerkiksi Boston Dynamics, jonka Hyundai osti vuonna 2021 1,1 miljardia dollaria arvostetulla kauppasummalla, kehitti robotin, joka jäljittelee koiraa suorittaakseen monia vaikeita tehtäviä. Nelijalkainen kone nimettiin Spotiksi. 

1. Boston Dynamicsin Spot: nelijalkainen robotti, joka jäljittelee koiraa

Kehitettynä kuin päänsä ilman keltainen koira, Boston Dynamicsin Spot pystyi kiipeämään ylämäkeen ja navigoimaan portaissa. Laitteen hinta oli 74 500 USD. Se palveli monissa tarkoituksissa, kuten tehtaiden, rakennustyömaiden ja vaarallisten ympäristöjen tarkastuksissa, pystyi kiipeämään portaissa ja liikkumaan niissä. 

Spot pystyy nyt toimimaan 24 / 7 ilman puuttumista. Se voi ladata itsensä autonomisesti ja suunnitella uudelleen dynaamisesti uusien esteiden ympärille. Virallisten lukujen mukaan, Spot‑robotit ovat tähän mennessä saavuttaneet yli 1 000 asiakasta. 

Spot palvelee useita toimialoja, kuten valmistusta, energia‑ ja luonnonvaroja, rakennusalaa, akatemiaa ja koulutusta sekä hallitusta. 

Kun Hyundai sulki sopimuksensa ottaakseen Boston Dynamicsin haltuun, sillä oli 80 prosenttinen omistusosuus yhtiöstä. SoftBank, yhden tytäryhtiönsä kautta, hallitsi loput 20 prosenttia. 

Hyundai julkaisi yhdistetyt tilinpäätöksensä vuodelle 2022 21. maaliskuuta 2023. Yritys ansaitsi 6 126 969 miljoonaa Korean wonia vuonna 2022, mikä on merkittävä kasvu verrattuna 3 782 498 miljoonaan Korean wonia, jonka se ansaitsi vuonna 2021. Vuonna 2022 maksetut osingot olivat 7 207 miljoonaa. 

2. ABB:n osto SevenSense: läpimurto luonnosta inspiroitujen robottien kehittämisessä

ABB, toinen globaali robotiikan vahva, osti hiljattain Sevensensen, sveitsiläisen startupin, joka erikoistuu teollisuusrobottien liikkuvuuden parantamiseen. Tarkemmin sanottuna SevenSense kehittää ja valmistaa anturi‑ ja tekoälypohjaisia robottijärjestelmiä, joilla on silmä‑ ja aivotoiminnot, jotta ne voivat liikkua laitosten ympärillä ja kulkea koko tehtaan tilassa. 

Ratkaisut eivät rajoitu enää toimitettuihin tuotantolinjoihin, jotka yleensä hyödyntävät kiinteitä magneettinauhoja. Nämä robotit voivat siirtää 2 tonnia materiaalia nopeudella 1,5 metriä sekunnissa. Niissä on kuusi kameraa. ABB:n robotiikka‑ ja diskreettiautomaatiojohtajan Sami Atiyan mukaan:

“Vanhan järjestelmän aikana, kun sinun täytyi muuttaa 100 metrin tuotantolinjaa, esimerkiksi lisäämällä uusi tuotantoyksikkö, robotin ohjaaminen oli mahdotonta. Nyt voimme tehdä sen helposti.”

Viimeisimmän saatavilla olevan tilinpäätöksensä mukaan ABB:n vuotuinen liikevaihto oli 29,4 miljardia Yhdysvaltain dollaria vuonna 2022, verrattuna 28,9 miljardiin dollaria vuonna 2021. 

3. Yamahan ihmiskuljettajasta inspiroima Motobot

Ei pelkästään merieläimet ja nelijalkaiset ystävämme, vaan robotit ottavat myös vihjeitä meistä ihmisistä. Yamahan ainutlaatuinen projekti, Motobot, pyrkii luomaan ihanteellisen humanoidirobotin, joka voi ohjata ajoneuvoa muokkaamatta sitä autonomiseen käyttöön. Motobot voi itsenäisesti ohjata ajoneuvoa hyödyntäen tietoja ajoneuvon nopeudesta, moottorin kierrosluvusta, koneen asennosta ja vastaavista parametreista. 

Yamaha aikoo varustaa Motobotin jatkossa tarkalla GPS:llä, antureilla ym., jotta sillä olisi koneen sijaintitunnistustaito ja se tekisi päätöksensä harkitummin parhaiten radan ympäri ja moottoripyörän suorituskyvyn rajoissa. 

Motobotin kehittämiseksi Yamaha on tehnyt yhteistyötä SRI Internationalin kanssa, joka on johtava globaali tutkimuslaitos. Visio on ammentaa inspiraatiota ja tietoa MOTOBOTin kehittämisessä käytettävistä perus‑tekniikoista, kuten robottiohjaus ja ihmisen ja koneen välinen käyttöliittymä. 

Viimeisimmän saatavilla olevan tilikauden 2022 vuositilinpäätöksen mukaan Yamaha ansaitsi yli 408 miljardia Japanin jeniä liikevaihtona, ja sen ydinliiketoiminnan tulos oli 43 miljardia jeniä. 

Loputon kehitysten lista

Rajoitetussa ajassamme voisimme käsitellä useita pelin muuttavia esimerkkejä, joissa robotiikka on saanut merkittävää inspiraatiota luonnosta. Kuitenkin saatavilla olevien tutkimusjulkaisujen kartoitus osoittaa, että se oli vain jäävuoren huippu. Robotiikka, tutkimuksen, kehityksen ja soveltamisen alana, on ammentanut merkittävästi luonnosta ja jatkaa sitä. 

Robottidroonit ovat esimerkiksi merkittävästi lintujen inspiroimia. Ei pelkästään lentomekanismin osalta, vaan linnut inspiroivat myös drooneja lentämään tehokkaasti huonossa säässä ja kovien tuulien keskellä. 

Sukeltavat linnut johtivat Aquatic Micro Air Vehicle (AquaMAV) -laitteen luomiseen Imperial College Londonin Aerial Robotics Laboratory -laboratoriossa. Nämä AquaMAV:t voivat sukeltaa veteen suurilla nopeuksilla, nousta takaisin pintaan ja poistaa vettä suihkuna. Näitä ratkaisuja käytetään monissa tapauksissa, kuten vesinäytteiden keräämisessä pelastusoperaatioihin tai vedenalaiseen tutkimukseen. 

Perhoset ovat inspiroineet mikrobotteja erityisen siipirakenteen kehittämiseen, mikä voi auttaa niitä lentämään pidemmälle ja välttämään onnettomuuksia. 

Boston Dynamics, yksi jo aiemmin käsittelemistämme yrityksistä, omistaa toisen robotin nimeltä Atlas, joka on älykäs kaksijalkainen humanoidi. 

Jessiko on vedenalainen robotti, joka käyttää eväitä liikkumiseen vedessä. DelFly Micro on 3,07 gramman painoinen siipien lyömärobotti, joka – kuten nimestäkin käy ilmi – on inspiroitunut kärpäsen liikkeestä. Maailma on myös nähnyt kilpikonnasta inspiroitujen 3D‑tulostettujen, nelijalkaisten pehmeiden robottien nousun. 

Luonnossa on miljoonia eläimiä ja hyönteisiä. Näiden eläinten ja hyönteisten evoluutiokyvyt mahdollistavat niiden uskomattomat toiminnot. Ihmiset eivät ole poikkeus. Näiden kehojen toiminnan oppiminen avaa monia mahdollisuuksia roboteille. 

Monet tehtävät, jotka vaativat ihmisten matkustamista riskialttiisiin paikkoihin, voitaisiin suorittaa näiden robottien avulla. Nämä robotit eivät ainoastaan suorita näitä tehtäviä, vaan tekevät sen suuremmalla nopeudella ja tehokkuudella, hienostuneesti ja tarkasti. Ne voivat hoitaa monia toistuvia tehtäviä, jolloin ihmisaivoille jää enemmän aikaa tehdä sitä, mitä ne parhaiten osaavat: ideoida ja luoda uusia asioita, jotka vievät sivilisaatiota eteenpäin. 

Klikkaa tästä saadaksesi listan kymmenestä parhaasta robotiikkayrityksestä.