Sienirobottien nousu: rihmaston sähköiset signaalit ohjaavat robotteja

Pehmeiden robottien tarve

Kun robotteja käytetään tehdashallien kaltaisten hallittujen ympäristöjen ulkopuolella, niiden on pystyttävä koskettamaan ympäristöään varovasti ja hallitsemaan liikkeitään tarkasti.

Tähän tarvitaan herkkiä antureita, erityisesti kosketusantureita. Joissakin ratkaisuissa käytetään monimutkaista ja haurasta elektroniikkaa, jonka pitää toimia luotettavasti vaikeissa oloissa vuosien ajan. Rakenteesta riippuen antureissa voidaan käyttää myös niukkoja tai ympäristön kannalta kuormittavia materiaaleja, mikä lisää kustannuksia.

Biologiset järjestelmät suorittavat vastaavia tehtäviä jatkuvasti käyttäen rakennusaineina esimerkiksi sokereita ja proteiineja.

Tutkijat hakevat yhä useammin biologiasta keinoja kehittää robotteja. Yksi lähestymistapa on jäljitellä luonnon rakenteita ja mekanismeja metallilla ja muovilla. Tätä kutsutaan biomimetiikaksi. Käsittelimme aihetta artikkelissa ”Miten robotiikka voi ottaa oppia luonnosta”.

Toinen suuntaus on pehmeä robotiikka, jossa toimilaitteet sekä liikkuvat ja koskettavat osat valmistetaan joustavista materiaaleista, joskus 3D-tulostamalla. Käsittelimme sitä artikkeleissa ”Vaahtofluidiikka voi hyödyttää pehmeää robotiikkaa”, ”Ihmiskäden kaltaiset kädet: uusi lisäävä valmistus edistää pehmeää robotiikkaa” ja ”Magneettiset geelikapselit voivat edistää sekä robotiikkaa että lääketiedettä”.

Entä jos biologisia toimintoja ei vain jäljiteltäisi keinotekoisilla materiaaleilla, vaan robotteihin yhdistettäisiin oikeaa elävää kudosta?

Cornellin yliopiston ja Firenzen yliopiston tutkijat selvittivät tätä mahdollisuutta. He kuvaavat Science Robotics -lehdessä julkaistussa tutkimuksessa ”Robottien sensomotorinen ohjaus sienirihmaston sähköfysiologisilla mittauksilla”, miten sienien sähköisiä signaaleja voidaan käyttää robottien ohjaamiseen. Sieni tuottaa ohjaussignaaleja, ei moottorien tarvitsemaa energiaa.

Sienien bioelektriset signaalit

Sienet ovat monimutkaisia eliöitä. Niiden rihmasto eli mikroskooppisten sienirihmojen verkosto voi välittää sähköisiä signaaleja ja reagoida ympäristön ärsykkeisiin.

Esimerkiksi valo voi muuttaa rihmaston sähköistä toimintaa. Sienet reagoivat myös kemiallisiin ärsykkeisiin, mikä tekee niistä kiinnostavia biologisten anturien lähtökohtia. Kemiallista tunnistusta ei kuitenkaan vielä osoitettu näissä robottiprototyypeissä.

Biorobotin elossa pitäminen

Aiemmassa tutkimuksessa robotteihin on yhdistetty esimerkiksi laboratoriossa kasvatettua lihaskudosta. Katso ”Lihaspohjaiset toimilaitteet voivat laajentaa robottiratkaisujen mahdollisuuksia”.

Käytännössä tämä on hankalaa, koska monet kudokset on vaikea pitää elossa robotin rakenteissa. Ne tarvitsevat sopivan lämpötilan, kosteuden ja ravinteet ja voivat olla herkkiä kontaminaatiolle. Tavallisilla roboteilla ei ole tällaisia biologisia ylläpitotarpeita.

Jos lihaskudos vaurioituu, robotin toiminta voi nopeasti heikentyä.

Sienirihmasto on suhteellisen kestävää ja voi kasvaa ankarissa oloissa. Luonnossa se joutuu selviytymään muiden sienten, bakteerien ja virusten joukossa. Se voi siksi soveltua joihinkin tehtäviin paremmin kuin eristetty lihaskudos, jota muu eliö normaalisti tukee. Myös rihmasto täytyy kuitenkin suojata kontaminaatiolta.

Rihmasto pystyy reagoimaan moniin ympäristön ärsykkeisiin, kuten valoon sekä kemiallisiin ja biologisiin signaaleihin.

Ympäristöherkkyys ja mitattava sähköinen toiminta tekevät rihmastosta lupaavan biologisen anturin. Elektroniikka voi käsitellä signaaleja ja muuntaa ne robotin ohjauskäskyiksi. Tämä ei tee anturista täydellistä tai huoltovapaata.

Miten sienirobotit toimivat

Tutkijat kasvattivat rihmastoa robotin elektroniikkaan liitetyssä rajapinnassa. Järjestelmä mittaa sähköistä toimintaa, tunnistaa rytmisiä signaalipiikkejä ja muuntaa tiedon digitaalisiksi ohjaussignaaleiksi toimilaitteille.

Rajapinta vaimentaa tärinän ja sähkömagneettisten häiriöiden vaikutuksia mittauksiin.

Tämä on tärkeä askel biohybridirobottien kehityksessä: sähköfysiologista toimintaa voidaan mitata vakaasti myös robotin liikkuessa vapaasti.

Näin syntyi biohybridikone, joka reagoi valoärsykkeisiin. Tutkijat haluavat tulevaisuudessa hyödyntää myös kemiallisia ärsykkeitä.

Mahdollinen tuleva sovellus olisi robotti, joka mittaa viljelymaan kemiaa ja auttaa päättämään lisälannoituksen tarpeesta. Se jatkaisi kehitystä, jota käsittelimme artikkelissa ”Sijoittajien kannattaa huomata robotiikan kasvava rooli maataloudessa”.

Myös taudinaiheuttajien tunnistaminen voisi olla tuleva tutkimuskohde. Sitä ei vielä osoitettu näillä roboteilla.

Monitieteinen ala

Koska ala on uusi eikä vakiintuneita menetelmiä tai tuotteita ole paljon, tällaisten robottien kehittäminen voi olla tavallista monimutkaisempaa.

”Tarvitaan osaamista konetekniikasta, elektroniikasta, jonkin verran sienitieteestä ja neurobiologiasta sekä signaalinkäsittelystä. Kaikki nämä alat yhdistyvät tällaisen järjestelmän rakentamisessa.”

Anand Mishra, tutkija Organic Robotics Lab -laboratoriossa, jota johtaa Rob Shepherd.

Anand Mishra teki yhteistyötä neurobiologian ja käyttäytymistieteen tutkijan Bruce Johnsonin kanssa oppiakseen mittaamaan rihmaston solukalvojen sähköisiä signaaleja. Kasvitautien sekä kasvien ja mikrobien vuorovaikutuksen apulaisprofessori Kathie Hodge auttoi puhtaiden rihmastoviljelmien kasvattamisessa. Elektrodien työntäminen sieniin aiheuttaa kontaminaatioriskin, vaikka rihmasto on suhteellisen kestävää.

Ensimmäiset prototyypit

Tutkijat rakensivat kaksi biohybridirobottia: pehmeän, hämähäkin muotoisen robotin ja pyörillä liikkuvan robotin.

Lähde: Cornell University

Robotit kävelivät tai rullasivat rihmaston luonnollisten sähköisten piikkien ohjaamina. Ultraviolettivalo muutti niiden liikkumistapaa. Kolmannessa kokeessa tutkijat pystyivät ohittamaan rihmaston oman signaalin kokonaan.

Sijoittaminen bio- ja pehmeään robotiikkaan

Pehmeät ja biohybridirobotit voivat saada suuremman roolin robotiikassa, kun robotteja käytetään yhä enemmän sairaaloissa, varastoissa, pelloilla ja hedelmätarhoissa.

Robotiikkayrityksiin voi sijoittaa eri välittäjien kautta. securities.io tarjoaa välittäjäoppaita muun muassa Yhdysvaltoihin, Kanadaan, Australiaan, Britanniaan sekä moniin muihin maihin.

Yksittäisten yritysten sijaan voi tutkia myös robotiikkaan sijoittavia ETF-rahastoja, kuten GlobalX Robotics & Artificial Intelligence ETF (BOTZ), iShares Automation & Robotics UCITS ETF (RBOT) tai Global Robotics & Automation Index ETF (ROBO), tai lukea artikkelimme ”Viisi robotiikan ja tekoälyn ETF-rahastoa tutkittavaksi”. Rahastot tarjoavat hajautusta laajempaan sektoriin, eivät erityisesti sienirobotteihin, ja niihin liittyy sijoitusriskejä.

Voit myös tutustua artikkeliimme ”Kymmenen robotiikkayritystä tutkittavaksi”.

Robotiikkayritykset

1. Soft Robotics

Soft Robotics oli listaamaton yritys. ABB Technology Ventures oli sen sijoittaja ja kumppani; ABB kuvasi yhteistyötä vuonna 2018. Pehmeitä tarttujia yhdistettiin teollisuusrobotteihin. Elokuussa 2024 Soft Robotics myi tarttujaliiketoimintansa Schmalz Groupille ja jatkoi nimellä Oxipital AI keskittyen tekoälyyn ja konenäköön.

Soft Robotics kehitti mGripAI-ratkaisun, jossa pehmeät tarttujat yhdistettiin 3D-konenäköön ja tekoälyyn elintarvikkeiden käsittelyä varten. Tarttujia voitiin käyttää esimerkiksi ABB:n IRB360 FlexPicker -robotin kanssa. FlexPicker on robotti, ei pehmeä tarttuja itse.

Lähde: Soft Robotics

Vaahtofluidiikka voisi tarjota uusia mahdollisuuksia pehmeille tarttujille. Se on mahdollinen tutkimussuunta, ei tässä osoitettu tuoteominaisuus.

Tässä videossa näkyy mGripAI toiminnassa.

Pehmeitä toimilaitteita ja tarttujia käytetään erityisesti teollisissa prosesseissa, kuten elintarvikkeiden käsittelyssä.

Tekoälyn, konenäön, akkujen ja pehmeän robotiikan kehitys voi laajentaa robottien käyttöä hoitotyön, kaupan ja siivouksen tukena. Tehtävien automatisointi riippuu turvallisuudesta, luotettavuudesta ja kustannuksista.

Rihmastoon perustuvat kemialliset anturit voisivat tulevaisuudessa auttaa tunnistamaan haitallisia aineita tai pilaantumisen merkkejä tuotteita käsiteltäessä. Yhdistäminen FlexPickerin kaltaiseen järjestelmään on mahdollinen sovellus, ei osoitettu tuote.

2. Boston Dynamics

Boston Dynamicsin Spot muistuttaa keltaista, päätöntä koiraa ja pystyy liikkumaan rinteissä ja portaissa. Perusmallia tarjottiin vuonna 2020 hintaan 74 500 Yhdysvaltain dollaria. Käyttökohteita ovat esimerkiksi tehtaiden, rakennustyömaiden ja vaarallisten ympäristöjen tarkastukset.

Latausaseman avulla Spot voi ladata itsensä ja toistaa tarkastuskierroksia samalla kun se väistää esteitä. Se tarvitsee silti lataustaukoja, huoltoa ja ihmisten valvontaa. Valmistaja esittelee Spotille useita teollisia käyttökohteita.

Spotia käytetään muun muassa valmistavassa teollisuudessa, energia- ja luonnonvara-alalla, rakentamisessa, opetuksessa, tutkimuksessa ja viranomaistehtävissä.

Rihmastopohjaiset kemialliset anturit tai valoanturit voisivat tulevaisuudessa täydentää tällaista liikkuvaa alustaa.

Kun Hyundai Motor Group sai Boston Dynamicsin yrityskaupan päätökseen kesäkuussa 2021, konserni sai 80 prosentin osuuden. SoftBankin tytäryhtiölle jäi loput 20 prosenttia.

Boston Dynamics on saanut verkossa paljon huomiota myös humanoidirobotti Atlaksen kehityksestä.

Lähde: Boston Dynamics

Hyundai Motor Group on eteläkorealainen teollisuuskonserni, jonka kaltaisia yritysryhmiä kutsutaan nimellä chaebol. Konserni investoi muun muassa ajoneuvoteknologiaan, automaatioon ja robotiikkaan.

Automaatio voi auttaa vastaamaan myös Etelä-Korean väestön vähenemisen ja ikääntymisen haasteisiin; kokonaishedelmällisyysluku oli vuonna 2022 noin 0,78 lasta naista kohti. Robotit voivat lievittää joitakin työvoimapuloja, mutta eivät yksin ratkaise väestömuutoksen seurauksia.

Erillinen esimerkki automaatiosta on Hyundai Elevator, joka kuuluu Hyundai Groupiin, ei Hyundai Motor Groupiin. Yhtiö arvioi uuden Chungjun tehtaansa saavuttavan vuonna 2022 78 prosentin automaatioasteen ja 38 prosentin lisäyksen tuottavuuteen työntekijää kohti. Luvut koskevat tätä tehdasta, eivät Boston Dynamicsin tai koko robotiikka-alan ennustetta.