Framsteg inom robotik med flerskalig sugning

Robotar och studiet av robotik är ett ständigt utvecklande område som fortsätter att utforska nya vägar för att göra våra processer mer effektiva och optimerade. Dessa ansträngningar och utforskningar är ofta inspirerade av naturen och djurriket omkring oss. Till exempel utvecklade forskare vid University of Bristol en robotisk sugkopp med superanpassningsbara sugförmågor som liknar en bläckfiskens biologiska sugkoppar. 

Bläckfiskinspirerad sugmekanism i robotar

Allt började med Bristol Robotics Laboratory som studerade strukturen hos en bläckfiskens biologiska sugkoppar som uppvisar mycket hög sugkraft och kan fästa sig på vilken sten som helst på det mest optimerade sättet. Denna forskning ledde till skapandet av en flerskikts mjuk struktur och ett artificiellt fluidiskt system som kunde fungera som muskulaturen och slemstrukturerna hos en bläckfisk.

När han förklarade den mest betydelsefulla prestationen i denna forskning sade Tianqi Yue, huvudförfattaren till artikeln, följande: “Den viktigaste utvecklingen är att vi framgångsrikt demonstrerade effektiviteten i kombinationen av mekanisk anpassning – användning av mjuka material för att anpassa sig till ytors form – och vätsketätning – spridning av vatten på den kontaktande ytan för att förbättra sugadaptabiliteten på komplexa ytor. Det kan också vara hemligheten bakom biologiska organismers förmåga att uppnå adaptivt sug.”

Den viktigaste utvecklingen är därför att gå ett steg längre än den nuvarande formen av artificiellt sug och gå in i området för adaptivt sug – förmågan att fästa på de svåraste och mest komplexa ytorna. Detta krävde en multisugmekanism, och forskningen visade hur man kan uppnå den.

Historisk forskning för att bättre förstå hur bläckfiskens sugkoppar fungerar

Att förstå hur sugning hos bläckfiskar fungerar har länge varit ett intresseområde för den vetenskapliga gemenskapen. Forskare visste att bläckfiskar kan röra sina sugkoppar oberoende och greppa föremål när det behövs.

En studie utförd av forskare i Livorno undersökte bläckfiskar för mer än ett decennium sedan och fann att sidorna och kanterna på deras sugkoppar var unikt byggda. Deras sugkoppar hade små, koncentriska fåror som hjälpte dem att bilda en stark tätning på vilken grov yta som helst under vatten.

Liknande fåror kunde också ses i den övre delen, vilket resulterade i en tätning som var effektiv och stark men ändå lågtrycks.

När de undersökte detta lågtrycksfenomen närmare fick forskarna ytterligare insikter om sugkopparna. De upptäckte att medan sidorna och kanterna på sugkopparna var mjuka, var toppen mycket styvare. Denna lägre elasticitet bidrog sannolikt till den lokala genereringen av lågtryck, vilket gjorde adhesionen överlägsen, robust och effektiv.
Sedan denna upptäckt har det funnits diskussioner om att efterlikna bläckfiskens sugmekanismer i robotar. Nu kan vi se ansträngningarna bära frukt.

Multisugmekanism och hur den knäcktes!

Forskningen föreslog att den bläckfiskliknande multisugmekanismen kunde replikeras genom en organisk kombination av mekanisk anpassning och reglerad vattentätning. De flerskikts mjuka materialen som den robotiska lösningen använde skapade först en grov mekanisk anpassning till underlaget, vilket så småningom minskade läckande öppningar till mikrometer. Dessa mikronstora öppningar tätades sedan av reglerad vattenutsöndring från ett artificiellt fluidiskt system.

Framtida implikationer av denna forskning

När de lyfte fram dess potentiella tillämpningsområden noterade forskarna att denna utveckling kan bana väg för robotgripare som klarar en mängd komplexa torra ytor. De betonade vikten av denna flerskaliga adaptiva sugmekanism för att utveckla mer effektiva och unikt anpassningsbara sugstrategier, vilket kan leda till ett helt spektrum av mångsidiga, mjuka adhesionsmekanismer.
När de påpekade förbättringen som denna lösning ger jämfört med befintliga lösningar sade Tianqi Yue:

“Nuvarande industriella lösningar använder alltid påslagna luftpumpar för att aktivt generera sug, men dessa är bullriga och slösar energi.”

Den nuvarande lösningen kräver ingen pump, så den är överlägsen. Och som utvecklarna förväntade sig, skulle den nuvarande lösningen leda till nästa generations robotgripare som effektivt kan greppa olika oregelbundna föremål. Teamet planerar dessutom en intelligent sugkopp med inbyggda sensorer som kan reglera koppens beteende.
Även om denna forskning och den föreslagna lösningen definitivt räknas som ett genombrott, har den vetenskapliga och robotikgemenskapen alltid varit inspirerad av bläckfiskar.

Det fantastiska djuret som är bläckfisken

Den genetiska sammansättningen hos en bläckfisk är så unik att den skiljer sig avsevärt från nästan alla andra varelser på planeten. En DNA-studie på bläckfiskar visade att de har omkring 33 000 gener, cirka 10 000 fler än en människa. Till skillnad från människor och många andra djur som kan förbättra sin genetiska kod, har bläckfiskar den fantastiska förmågan att redigera sitt eget RNA.

Det fanns också vissa likheter med människor. Och dessa likheter hjälpte dem att bli mer intelligenta som människor.

Till exempel har bläckfiskar en uppsättning människoliknande gener som bidrar till ett neuralt nätverk i deras hjärnor. Detta neurala nätverk gör dem anpassningsbara till varierande omständigheter och snabba lärande. Dessutom förbättrar deras förmåga att redigera sina RNA deras anpassningsförmåga, vilket gör att de kan uthärda den extrema kylan i djuphavet.

Som det tydligt syns har bläckfiskar en stor hjärna. Och, precis som människor, har de ett slutet cirkulationssystem, iris-skyddade ögon, näthinna och lins.

Bläckfiskar har också förstklassiga kamouflageförmågor. Nu när deras genetiska kod har avkodats blir det lättare för forskare att förstå hur de uppnår detta. De kan ändra sin hudfärg på millisekunder, en förmåga som neuroforskare, textilingenjörer och strukturingenjörer kan dra nytta av.

Bläckfiskens sinne

Den fysiologiska briljansen hos en bläckfisk, särskilt dess stora hjärna, har motiverat forskare att studera dess kognitiva processer djupare.
År 2016 skrev Peter Godfrey-Smith, en framstående professor i filosofi vid Graduate Center, City University of New York, och professor i historia och vetenskapsfilosofi vid University of Sydney i Australien, en bok med titeln ‘Other Minds: The Octopus, the Sea and the Deep Origins of Consciousness.‘ I den skrev han:

“Bläckfiskar och deras släktingar (bläckfiskar och bläckfiskar) representerar en ö av mental komplexitet i havet av ryggradslösa djur. Sedan mina första möten med dessa varelser för ungefär ett decennium sedan har jag varit fascinerad av den kraftfulla känsla av engagemang som är möjlig när man interagerar med dem.”

I boken framhöll professor Godfrey-Smith att en vanlig bläckfisk hade omkring 500 miljoner neuroner i sin kropp. Även om detta är mycket mindre än vad människor har – nästan 100 miljarder – är bläckfiskar ganska intelligenta genom att de kan navigera enkla labyrinter och effektivt använda visuella ledtrådar för att skilja två olika men bekanta miljöer och välja den bästa vägen.
Det är kombinationen av intelligens och fysiologisk unikhet som får bläckfiskar att sticka ut. I grund och botten har robotikfältet alltid försökt uppnå detta tillstånd där intelligenta verktyg kan utföra komplexa uppgifter. Det är ingen överraskning att robotikstudenter stadigt utforskar detta fantastiska djur. Förutom institutionella forskare är flera välkända företag aktiva inom detta område.

#1. ABB

Ett företag som alltid har haft intresse av att efterlikna bläckfiskens förmågor i sina produkter var ABB. År 2018 slöt ABB Technological Ventures, ABB:s strategiska riskkapitalarm, ett partnerskap med Soft Robotics, ett spin‑off från Whitesides Group.
https://www.youtube.com/watch?app=desktop&v=0-2B1Vn75Qg&embeds_referring_euri=https%3A%2F%2Frodinanews.co.uk%2F&feature=emb_imp_woyt

Inspirerade av funktionaliteten hos en bläckfiskens tentakler utvecklade Soft Robotics mjuka robotaktuatorer av polymerer som fungerar utan behov av sensorer eller elektromechaniska enheter. Företaget byggde och inbäddade den beräkningskraften direkt i griparen och utvecklade en proprietär blandning av material med mikrofluidiska kanaler som efterliknar de mjuka vävnaderna i en människas hand.

Nya utvecklingar inom integration av flerskalig sugning i avancerad robotik kan förbättra effektiviteten och verkningsgraden hos dessa teknologier.

Bläckfiskar, kända för sin högre intelligens och sofistikerade ögonstrukturer som liknar människors, har inspirerat betydande utvecklingar inom robotik. I år förvärvade ABB Sevensense, ett schweiziskt teknikföretag som specialiserar sig på att förbättra rörligheten hos industriella robotar genom att utrusta dem med visuella och kognitiva förmågor.
Under räkenskapsåret 2023 rapporterade ABB Group en omsättning på 32,2 miljarder US‑dollar. Företaget gjorde också en betydande investering på 1,3 miljarder US‑dollar i forskning och utveckling. Samtidigt var dess operativa EBITA-marginal nära 17 %.

#2. Festo

I ett annat exempel, där ett ledande robotikföretag redan har visat intresse och kan utnyttja den flerskaliga sugen ytterligare för att förbättra sina förmågor, ser vi på det tyska robotikföretaget Festos robot inspirerad av en bläckfisk.
https://www.youtube.com/watch?v=WeEJrJNpvP0

Ursprungligen kallad OctopusGripper kunde denna robotenhet plocka upp, hålla och lägga ner föremål med en kombination av sugkoppar och luft. Den har sedan dess bytt namn till Tentacle Gripper. Företaget beskriver denna bioniska gripare som en mjuk silikonstruktur som kan styras pneumatiskt. När komprimerad luft tillförs kan griparen böja sig inåt, vilket gör att den kan omsluta föremål säkert.

Strukturellt har griparen två rader av sugkoppar fästa på insidan av silikontentaklerna. Små sugkoppar är placerade vid gripartippen och ger en passiv effekt, medan större sugkoppar, drivna av vakuum, hjälper föremålet att fästa ordentligt på griparen.

Festo testade roboten på två pneumatiska lätta robotar som också utvecklats i Bionic Learning Network: BionicMotionRobot och BionicCobot. På grund av deras kinematiska natur var båda dessa robotar flexibla och kunde göras styvare på oändligt många sätt.

Eftersom den artificiella tentakeln utvecklades av ett mjukt material kunde den greppa försiktigt och mjukt. Företaget hävdade att lösningen har stor potential för futuristiska samarbetsarbetsplatser.

Ekonomiskt sett var räkenskapsåret 2023 ett år av konsolidering för företaget. Enligt ett av Festos pressmeddelanden var omsättningen något under föregående års nivå (‑4,3 % till omkring 3,65 miljarder euro).
Oavsett den lilla nedgången i omsättningen hävdade företaget att de fortsatt investerat kraftigt i forskning och utveckling samt i expansion av regional marknadsförsörjning. Mer specifikt investerade företaget 7,7 % av sin omsättning i forskning och utveckling år 2023.

Om robotik som hämtar inspiration från naturen och djurriket

Idag diskuterade vi ett specifikt exempel på robotik som tar ledtrådar från en bläckfiskens sugkoppar. Men ur ett bredare perspektiv kan den ta ledtrådar från hela den naturliga världen omkring oss. Och flera bio‑inspirerade robotikinitiativ är redan i gång i den offentliga sektorn.

Till exempel publicerades i januari 2024 forskning som presenterade en autonom växande robot inspirerad av de beteendemässiga adaptiva strategierna hos klätterväxter för att navigera ostrukturerade miljöer. Dessa robotar kunde efterlikna klätterväxters apikala skott för att känna av och samordna additiv adaptiv tillväxt genom en inbyggd additiv tillverkningsmekanism och en sensorerad spets.

Betydande forskning har också ägt rum inom området material som är kompatibla med tillverkning av mjuka robotar. För ett par år sedan utvecklade ett team av forskare och ingenjörer vid University of Minnesota Twin Cities en växtinspirerad process för att möjliggöra syntetisk materialtillväxt.

Lösningen kan hjälpa forskare att tillverka förbättrade mjuka robotar som kan navigera komplex terräng, även inom människokroppen. Enligt Matthew Hausladen, den första författaren till artikeln, var forskarna starkt inspirerade av hur växter och svampar växer. Forskarna sade:

“Vi (forskarteamet) tog idén att växter och svampar lägger till material i slutet av sina kroppar, antingen vid rötternas spetsar eller vid deras nya skott, och vi översatte det till ett ingenjörssystem.”

Den naturliga världen har upplevt oändligt fler förändringar och skiften än vi kan föreställa oss, med djur som överlever och anpassar sig under årtusenden. Vi måste studera deras otroliga anpassningstekniker noggrant och observera dem i större detalj. Att försöka replikera dem i deras sanna anda skulle alltid hjälpa oss att uppnå mycket mer än vi kan föreställa oss inom vetenskapens och teknikens områden.

Klicka här för en lista över de tio bästa robotikföretagen.