Biomimetikk
Hvordan robotikk kan ta inspirasjon fra naturen
Fra å være en kilde til underholdning for science fiction‑forfattere til å bli et utviklingsverktøy for menneskesamfunnet, har roboter og robotikk tilbakelagt en lang vei.
Mellom 2016 og 2028 forventes det globale robotikkmarkedet å vokse fra nesten US$23 milliarder til mer enn US$45 milliarder. Da robotikken ble introdusert, ble den sett på som noe som skulle forbli begrenset til industrielle områder.
Tvert imot utgjør tjenesterobotikk nå mer enn halvparten av robotikkmarkedet. I dag brukes roboter i stor grad i bilindustrien, kjemisk industri, elektrisk/elektronisk industri, næringsmiddelindustrien, medisinsk industri og mer. På en mer innovativ måte sørger robotikkleverandører for at den også tas i bruk i mer tradisjonelle felt som landbruk, husholdningsarbeid og underholdning.
Selv om robotikkens rolle har vært transformerende i mange konvensjonelle felt, kan den lære noe fra verden rundt oss? I dag ser vi nærmere på scenarier der robotikk kan ta inspirasjon fra naturen.
Hvordan bio‑inspirert robotikk kan berike seg selv fra virvelbiller
Kjent som verdens raskeste svømmende insekt, kan virvelbiller oppnå en akselerasjon på 100 meter per sekund og en topphastighet på 100 kroppslengder per sekund, eller nøyaktig 1 meter per sekund. Men hvordan oppnår de slik hastighet og akselerasjon?
Deres svømmestrategi ble studert av forskere og publisert i tidsskriftet Current Biology. Studien hadde tittelen «Whirligig Beetle Uses Lift-Based Thrust for Fastest Insect Swimming».
Forskningsgruppen brukte to høyhastighetskameraer synkronisert fra ulike vinkler. Resultatet var videoen som detaljert viste svømmemekanismen: løftbasert skyvekraft. Den fungerte på samme måte som en propell, med skyvebevegelsen som foregikk vinkelrett på vannoverflaten. Mekanismen bidrar til å redusere drag og gir mer momentum for høyere hastighet.
Hvorfor er denne oppdagelsen viktig? Selv om løftbasert skyvekraft allerede er identifisert hos store organismer, viser denne studien at fenomenet også gjelder på en lengdeskala så liten som 1 centimeter.
Ifølge Chris Roh, assisterende professor i biologisk og miljøteknikk ved College of Agriculture and Life Science, taler denne oppdagelsen til bio‑inspirert robotikk og andre ingeniørsamfunn om å først identifisere riktig fysikk og deretter forsøke å bevare denne fysikken når robotene utvikles.
Mer spesifikt mener Roh at dette fenomenet kan brukes i utviklingen av ubemannede robotskip, som kan bli mye mindre og mer fleksible ved å utnytte løftgenererende fremdriftsmekanismer fra virvelbiller. USA er i ferd med å utvikle slike båter som vil være fri fra begrensningene ved å måtte ta med mannskap.
Dette forskningsarbeidet får oss til å se robotikk i et nytt lys. Det er alltid mulig å ta inspirasjon fra naturen og omvendt konstruere dem til menneske‑mekaniske design. Vi har funnet flere eksempler på slik synergi mellom natur/mennesker og maskinen.
Octopus‑inspirert robot som ble hyllet som fremtiden for myk robotikk
Created in 2016 by Cecilia Laschi, a professor at Sant’Anna’s BioRobotics Institute, Pisa, Italy, the Octopus‑inspirert robot was immensely flexible and could react to its environment with much more sensitivity and accuracy than most other soft robots that were developed till then. In Laschi’s words:
«Dette relativt nye forskningsfeltet har potensialet til å snu opp ned på våre forestillinger om hva roboter er i stand til og hvor de kan være nyttige.»
Robotens behov for langt mindre datakraft og dens overlegne evne til å bevege seg på røft terreng gjorde at den kunne suge inn væske og deretter skyve den ut fra kroppen. Den kunne skli over det ru havbunnen ved hjelp av alle sine åtte ben.
Robotens konstruksjon benyttet elektro‑aktive polymerer som deformeres når de utsettes for elektrisitet. Robotens første vellykkede tester ble gjennomført i Middelhavet tidlig i 2016. Utviklingen har hjulpet feltet myk robotikk med å gjøre store fremskritt siden da.
In one instance, in 2017, Harvard University utviklet Octobot, a soft robot with all its mechanical components replaced with analogous soft systems. It was 3D‑printed and had inlaid channels facilitating power and movement control, powered through gas‑fueled pneumatics.
Bortsett fra de octopus‑inspirerte utviklingene, etterlignet bio‑inspirert robotikk også andre dyr. Ingeniørene ved École Polytechnique Fédérale de Lausanne utviklet for eksempel en robot som etterlignet en salamanders bevegelse.
Et annet forskerteam hentet inspirasjon fra slanger. På grunn av deres evne til å bevege seg gjennom komplekse og intrikate terreng, kan disse robotene være nyttige i romutforskning.
Pleurobot og Snakebot: Robotikk som gjorde komplekse bevegelser mulige
The Pleurobot henter inspirasjon from a Salamander’s movement. It has a unique vertebrate that helps the robot slither in and out of the water. It has 11 spinal segments. Vision-wise, the development of the robot was aimed at re-stimulating the way the human spinal cord works as well as the way the brain interacts with it.
Pleurobot henter inspirasjon fra en salamanders bevegelse. Den har en unik ryggvirvel som hjelper roboten med å gli inn og ut av vannet. Den har 11 ryggsegmenter. Visuelt sett var utviklingen av roboten rettet mot å re‑stimulere hvordan den menneskelige ryggmargen fungerer samt hvordan hjernen samhandler med den.
Å etterligne en salamanders bevegelse med en robot var et viktig gjennombrudd fordi salamandere kan gå fra kryp til gange til svømming ved å utføre samme bevegelse. De endrer bare hastigheten. Slike innovasjoner kan bli transformative og revolusjonerende når de overføres til maskiner og roboter.
Snakebot, på den annen side, var et resultat av en gruppe forskere ved Carnegie Mellon University. De hadde som mål å utvikle en robot som etterlignet en slanges bevegelse når den kryper gjennom vanskelig terreng, gjennom ruiner og rundt hindringer. Robotens lengde var 37 tommer og diameteren 2 tommer, og den hadde 16 ledd. Sist rapportert hadde NASA tatt i bruk disse robotene i sine romutforskningsprosjekter.
Med disse utviklingene og mange flere har roboter som tar inspirasjon fra naturen, også kjent som bio‑inspirert robotikk, blitt store. Massachusetts Institute of Technology, en av verdens mest beundrede og respekterte institusjoner for ingeniørutdanning, har et kurs i bio‑inspirert robotikk under sin maskinteknikkavdeling.
Kurset har som mål å oppmuntre til en «tverrfaglig tilnærming til bio‑inspirert design, med vekt på prinsippeksktraksjon som kan anvendes i ulike robotikkforskningsområder, som robotikk, proteser og menneskelige hjelpemiddelteknologier».
Ikke bare store institusjoner er interessert i dette, men også store teknologiselskaper engasjerer seg i bio‑inspirert robotikk med stor entusiasme. For eksempel utviklet Boston Dynamics, et selskap som ble kjøpt opp av Hyundai i 2021 for en verdi på US$1,1 milliarder, en robot som etterligner en hund for å utføre mange vanskelige oppgaver. Den firebente maskinen ble kalt Spot.
1. Boston Dynamics’ Spot: En firebent robot som etterligner en hund
Developed like a hodeløs gul hund, Spot, by Boston Dynamics, could climb uphill and navigate stairs. The device came for US$74,500. It served many purposes, from inspecting factories, construction sites, and hazardous environments, it could climb stairs and even navigate them.
Spot er nå i stand til å operere 24 / 7 uten inngrep. Den kan lade seg selv autonomt og omplanlegge rundt nye hindringer dynamisk. Ifølge offisielle tall, Spot robots have reached more than 1,000 customers to date.
Spot betjener en rekke industrier, inkludert produksjon, energi og naturressurser, bygg, akademia og utdanning, samt offentlig sektor.
Etter at Hyundai fullførte avtalen for å overta Boston Dynamics, eide den 80 prosent av selskapet. SoftBank, gjennom et av sine datterselskaper, hadde kontroll over de resterende 20 prosentene.
Hyundai publiserte sitt konsoliderte finansregnskap for 2022 on March 21st, 2023. The company earned 6,126,969 Korean Won in millions in 2022, a considerable increase from 3,782,498 Korean Won in millions earned in 2021. The dividends paid in 2022 were 7,207 million.
2. ABBs oppkjøp av SevenSense: Et gjennombrudd i utviklingen av natur‑inspirerte roboter
ABB, another global robotics stalwart, recently purchased Sevensense, en sveitsisk oppstartsbedrift that specializes in boosting the mobility of industrial robots. More specifically, SevenSense develops and makes sensor and AI-powered robotic systems that have eye and brain functionalities to maneuver around plants to go all over the factory space.
Løsningene vil ikke forbli begrenset til leverte produksjonslinjer som vanligvis bruker faste magnetiske striper. Disse robotene kan flytte 2 tonn materiale med hastigheter på 1,5 meter per sekund. De leveres med seks kameraer. Ifølge Sami Atiya, ABBs leder for robotikk og diskret automatisering:
«Under det gamle systemet, når du måtte endre en produksjonslinje på 100 meter, legge til en ny produksjonscelle, for eksempel, var det umulig å omdirigere roboten. Nå kan vi gjøre det enkelt.»
Ifølge sin siste tilgjengelige finansrapport, ABB had an annual revenue of US$29.4 billion in 2022, compared to US$28.9 billion in 2021.
3. Yamahas menneske‑rider‑inspirerte Motobot
Ikke bare havdyr og våre firebente venner, men roboter tar også inspirasjon fra oss mennesker. Yamahas unike prosjekt, Motobot, has the aim to create an ideal humanoid robot to operate a vehicle unmodified for autonomous use. Motobot can autonomously operate the vehicle by taking data from vehicle speed, engine rpm, machine attitude, and similar parameters.
Yamaha plans to empower Motobot, going ahead, with high-precision GPS, sensors, etc., for it to have machine position recognition capabilities and make its decisions more prudently on the best lines to take around a racetrack and the limits of the motorcycle’s performance.
For å utvikle Motobot har Yamaha inngått partnerskap med SRI International, et ledende globalt forskningsinstitutt. Visjonen er å hente inspirasjon og kunnskap fra de underliggende teknologiene som er aktive i utviklingen av MOTOBOT, som robotkontroll og skapelse av menneske‑maskin‑grensesnitt.
(TYO: )
Ifølge sin siste tilgjengelige årsrapport for regnskapsåret 2022, tjente Yamaha en omsetning på mer enn 408 milliarder japanske yen in the year with a core operating profit of 43 billion Japanese Yen.
En liste med endeløse utviklinger
I vår begrensede tidsramme kunne vi diskutere flere banebrytende eksempler der robotikk hentet betydelig inspirasjon fra naturen. En gjennomgang av tilgjengelige forskningspublikasjoner viser imidlertid at dette bare var toppen av isfjellet. Robotikk, som en strøm av studier, forskning, utvikling og anvendelse, har hentet betydelig fra naturen og vil fortsette med dette.
Roboter‑droner er for eksempel sterkt inspirert av fugler. Ikke bare når det gjelder deres flymekanisme, men fugler inspirerer også droner til å fly effektivt i dårlig vær og i kraftig vind.
Dykkende fugler førte til opprettelsen av Aquatic Micro Air Vehicle (AquaMAV) ved Aerial Robotics Laboratory ved Imperial College London. Disse AquaMAV‑ene kan dykke ned i vannet med høy hastighet, poppe opp igjen, og skyve vann ut gjennom en jet. Disse løsningene brukes i en rekke tilfeller, inkludert innsamling av vannprøver for redningsoppdrag eller utforskning under vann.
Sommerfugler har inspirert mikroroboter til å ha en spesiell type vingestruktur som kan hjelpe dem med å fly lenger og unngå ulykker.
Boston Dynamics, one of the companies we have already discussed, has another robot called the Atlas, which is an intelligent tobeint humanoid.
Jessiko er en undervannsrobot som bruker finner for å bevege seg gjennom vann. DelFly Micro er en 3,07‑gram flappende‑vinge‑robot som – som navnet antyder – er inspirert av fluen. Verden har også vært vitne til fremkomsten av skilpadde‑inspirerte 3D‑printede, firebente myke roboter.
Natur har millioner av dyr og insekter. De evolusjonære evnene til disse dyrene og insektene gjør at de kan utføre fantastiske ting. Mennesker er ikke unntatt. Å lære hvordan disse kroppene fungerer vil åpne mange muligheter for roboter.
Mange oppgaver som krever at mennesker reiser til risikofylte steder, kan utføres av disse robotene. Disse robotene kan ikke bare fullføre oppgavene, men også gjøre dem med høyere hastighet og effektivitet, med stor finesse og presisjon. De kan hjelpe med å utføre mange repeterende oppgaver, slik at den menneskelige hjernen får mer tid til å gjøre det den gjør best: å tenke ut og skape nye ting som driver sivilisasjonen fremover.
