Robotik
Framsteg inom robotteknik med multi-skala sug
Robotar och studier av robotteknik 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 runt omkring oss. Till exempel utvecklade forskare vid University of Bristol en robotisk sugkopp med superanpassningsbara sugförmågor liknande en bläckfisks biologiska sugkoppar.
Bläckfiskinspirerad sugmekanism i robotar
Allt började med att Bristol Robotics Laboratory studerade strukturen hos en bläckfisks biologiska sugkoppar som visar mycket höga nivåer av sugförmåga och kan fästa vid vilken sten som helst på det mest optimerade sättet. Den här forskningen ledde till skapandet av en multi-lagers mjuk struktur och ett artificiellt fluidsystem som kunde bete sig som bläckfiskens muskulatur och slemsystem.
Medan man förklarar den viktigaste prestationen i denna forskning, sa Tianqi Yue, den ledande författaren till artikeln, följande: “Den viktigaste utvecklingen är att vi framgångsrikt demonstrerade effektiviteten av kombinationen av mekanisk konformation – användningen av mjuka material för att anpassa sig till ytteckning, och vätskeförslutning – spridningen av vatten på kontaktytan för att förbättra suganpassningen på komplexa ytor. Det kan också vara hemligheten bakom biologiska organismers förmåga att uppnå anpassningsbar sug.”
Den viktigaste utvecklingen är alltså att gå ett steg längre än den nuvarande metoden för artificiell sug och komma in i området för anpassningsbar sug – förmågan att fästa vid de svåraste och mest komplexa ytor. Detta krävde en multi-sugmekanism, och forskningen visade hur man kan uppnå det.
Historisk forskning för att bättre förstå hur bläckfiskars sugkoppar fungerar
Att förstå hur sug i bläckfiskar fungerar har länge varit ett område av intresse för den vetenskapliga gemenskapen. Forskare visste att bläckfiskar kunde flytta sina sugkoppar oberoende och gripa föremål när som helst.
En studie genomförd 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 räfflor, som hjälpte dem att bilda ett starkt förslut på vilken ojämn yta som helst under vatten.
Liknande räfflor kunde ses i den övre sektionen också, vilket resulterade i ett förslut som var effektivt och starkt men hade lågt tryck.
Medan man undersökte detta låga tryckfenomen närmare, kom forskare med fler insikter om sugkopparna. De fann att medan sidorna och kanterna på sugkopparna var mjuka, var toppen mycket styvare. Denna mindre elasticitet hjälpte troligen till att generera lokalt lågt tryck, vilket gjorde fästningen överlägsen, robust och effektiv.
Sedan denna upptäckt har det funnits diskussioner om att efterlikna bläckfiskars sugmekanismer i robotar. Nu kan vi se att ansträngningarna når frukt.
Multi-sugmekanism och hur den knäcktes!
Forskningen föreslog att den bläckfiskliknande multi-sugmekanismen kunde replikeras genom en organisk kombination av mekanisk konformation och reglerad vattentätning. De multilagrade mjuka materialen som den robotiska lösningen använde genererade först en grov mekanisk konformation till underlaget, vilket så småningom minskade läckageöppningarna till mikrometer. Dessa mikrostora öppningar tätades av reglerad vattensekretion från ett artificiellt fluidsystem.
Framtida implikationer av denna forskning
Medan man betonar dess potentiella tillämpningsområden, noterade forskarna att denna utveckling kunde bana väg för robotiska gripare som kan hantera en mängd komplexa torra ytor. De betonade vikten av denna multi-skala anpassningsbara sugmekanism i utvecklingen av mer effektiva och unikt anpassningsbara sugstrategier, som kunde leda till ett fullt spektrum av mångsidiga, mjuka fästanordningar.
Medan man pekar på den förbättring som denna lösning introducerar jämfört med befintliga lösningar, sa Tianqi Yue:
“Nuvarande industriella lösningar använder alltid påslagna luftpumpar för att aktivt generera sug, men dessa är bullriga och slösar med energi.”
Den nuvarande lösningen behöver inte en pump, så den är överlägsen. Och som förväntat av dess utvecklare, skulle den nuvarande lösningen leda till nästa generations robotiska gripare som kunde effektivt gripa olika oregelbundna föremål. Teamet planerar själva en intelligent sugkopp med inbyggda sensorer som skulle kunna reglera koppen beteende.
Medan denna forskning och den lösning den föreslår definitivt räknas som ett genombrott, har den vetenskapliga och robotiska gemenskapen alltid varit inspirerad av bläckfiskar.
Den fantastiska varelsen som är bläckfisk
Den genetiska sammansättningen av en bläckfisk är så unik att den skiljer sig avsevärt från nästan alla varelser på denna planet. En DNA-studie på bläckfiskar avslöjade att de besitter cirka 33 000 gener, ungefär 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 sin egen RNA.
Det fanns vissa likheter med människor också. Och dessa likheter hjälpte dem att bli mer intelligenta som människor.
Till exempel besitter bläckfiskar en uppsättning mänskliga gener som bidrar till ett neuronnätverk i deras hjärnor. Detta neuronnätverk gör dem anpassningsbara till varierande omständigheter och snabba lärande. Dessutom förbättrar deras förmåga att redigera sin RNA deras anpassningsförmåga, vilket gör det möjligt för dem att motstå den extrema kylan i djuphavet.
Som synligt har bläckfiskar en stor hjärna. Och, liksom människor, besitter de en sluten cirkulationssystem, iris-skyddade ögon, retina och lins.
Bläckfiskar har också den bästa kamouflageförmågan. Nu när deras genetiska kod har avkodats, kommer det att vara lättare för forskare att förstå hur de uppnår detta. De ändrar sin hudfärg på millisekunder, en förmåga från vilken neuroforskare, tygkonstruktörer och strukturtekniker kan dra nytta.
Bläckfiskens sinne
Den fysiologiska briljansen hos en bläckfisk, särskilt dess stora hjärna, har motiverat forskare att studera dess kognitiva processer mer ingående.
2016 skrev Peter Godfrey-Smith, en framstående professor i filosofi vid Graduate Center, City University of New York, och professor i historia och filosofi vid University of Sydney i Australien, en bok med titeln ‘Andra sinnen: Bläckfisken, havet och de djupa ursprunget till medvetande.‘ 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 ett decennium sedan, har jag varit fascinerad av den kraftiga känslan av engagemang som är möjlig när man interagerar med dem.”
I boken betonade professor Godfrey-Smith att en vanlig bläckfisk hade runt 500 miljoner neuroner i sin kropp. Även om detta är mycket mindre än vad människor har – nästan 100 miljarder – är bläckfiskar ganska intelligenta då de kan navigera enkla labyrinter och använda visuella signaler effektivt för att skilja på två olika men bekanta miljöer och ta den bästa vägen.
Det är kombinationen av intelligens och fysiologisk unikhet som gör bläckfiskar sticka ut från kön. I själva verket har robotikens område alltid försökt uppnå denna tillstånd där intelligenta instrument skulle utföra komplexa uppgifter. Det är ingen överraskning att robotikstudenter har stadigt utforskat denna fantastiska varelse. Utöver institutionella forskare är flera välkända företag aktiva i detta område.
#1. ABB
Ett företag som alltid har visat intresse och kan utnyttja den multi-skala sugen ytterligare för att förbättra sina förmågor är ABB. 2018 ingick ABB Technological Ventures, ABB:s strategiska venture capital-investering, ett partnerskap med Soft Robotics, en spin-off från Whitesides Group.
Inspirerad av funktionen hos en bläckfisks tentakler, utvecklade Soft Robotics mjuka robotiska aktuatorer från polymerer som fungerar utan behov av sensorer eller elektromekaniska enheter. Företaget byggde och införlivade den beräkningsmässiga kraften direkt i gripen och utvecklade en egen blandning av material med mikrofluidiska kanaler som imiterar de mjuka vävnaderna i den mänskliga handen.
De senaste utvecklingarna i att integrera multi-skala sug i avancerad robotik kan förbättra effektiviteten och effektiiviteten hos dessa teknologier.
Bläckfiskar, kända för sin högre intelligens och sofistikerade ögonstrukturer som liknar människors, har inspirerat betydande utveckling inom robotik. I år köpte ABB Sevensense, ett schweiziskt techföretag som specialiserar sig på att förbättra rörligheten hos industrirobotar genom att utrusta dem med visuella och kognitiva förmågor.
Under det finansiella året 2023 rapporterade ABB Group en omsättning på 32,2 miljarder dollar. Företaget gjorde också en betydande investering på 1,3 miljarder dollar i forskning och utveckling och dess operativa EBITA-marginal var nära 17%.
#2. Festo
I ett annat fall, där ett ledande robotikföretag redan har visat intresse och kan utnyttja den multi-skala sugen ytterligare för att förbättra sina förmågor, tittar vi på det tyska robotikföretaget Festos robot inspirerad av en bläckfisk.
Ursprungligen kallad OctopusGripper, kunde denna robotiska enhet plocka upp, hålla och lägga ner föremål med hjälp av en kombination av sugkoppar och luft. Den har sedan bytt namn till Tentacle Gripper. Företaget beskriver denna bioniska gripare som en mjuk silikonstruktur som kan styras pneumatiskt. När komprimerad luft tillförs, kan gripen böja sig inåt, vilket möjliggör att den kan omsluta föremål säkert.
Strukturellt har gripen två rader av sugkoppar fästa på insidan av silikontentaklerna. Små sugkoppar är placerade vid gripen spets, vilket ger en passiv effekt, medan större sugkoppar, drivna av en vakuum, hjälper föremålet att fästa sig fast vid gripen.
Festo testade roboten på två pneumatiska lätta robotar som också utvecklats i Bionic Learning Network: BionicMotionRobot och BionicCobot. På grund av deras kinematiska natur kunde båda robotarna vara flexibla och kunde vara variabelt styva på oändligt många sätt.
Eftersom den artificiella tentakeln utvecklades från ett mjukt material, kunde den gripa föremål mjukt och försiktigt. Företaget hävdade att lösningen har stor potential för framtida samarbetsarbetsplatser.
Omsättningsmässigt var det finansiella året 2023 ett år av konsolidering för företaget. Enligt en av Festos pressmeddelanden, var deras rapporterade omsättning strax under föregående års nivå (—4,3% till cirka 3,65 miljarder euro).
Oavsett den mindre minskningen i omsättning, hävdade företaget att de fortsatte att investera kraftigt i forskning och utveckling och utvidgning av regional marknadsförsörjning. Mer specifikt investerade företaget 7,7% av sin omsättning i forskning och utveckling 2023.
Om robotik som tar inspiration från naturen och djurriket
Idag diskuterade vi ett specifikt exempel på robotik som tar inspiration från en bläckfisks sugkoppar. Men sett ur en bredare synvinkel kan det ta inspiration från hela den naturliga världen som omger oss. Och flera bio-inspirerade robotikinitiativ är redan i gång i den offentliga domänen.
Till exempel publicerades i januari 2024 en forskning som presenterade en autonomt växande robot inspirerad av de adaptiva strategierna hos klättrande växter för att navigera ostrukturerade miljöer. Dessa robotar kunde imitera klättrande växters apikala skott för att känna och koordinera additiv anpassad tillväxt genom en inbyggd additiv tillverkningsmekanism och en sensoriserad spets.
Betydande forskning skedde också inom området material som är kompatibla med mjuk robotik tillverkning. För ett par år sedan utvecklade en grupp University of Minnesota Twin Cities forskare och ingenjörer en process inspirerad av växter för att möjliggöra syntetiskt materialtillväxt.
Lösningen kunde hjälpa forskare att tillverka förbättrade mjuka robotar som kan navigera komplexa terränger, även inom den mänskliga kroppen. Enligt Matthew Hausladen, den första författaren till artikeln, var forskargruppen verkligen inspirerad av hur växter och svampar växer. Forskarna sa:
“Vi (forskargruppen) tog idén att växter och svampar lägger till material i änden av sina kroppar, antingen vid sina rottips eller vid sina nya skott, och vi översatte det till ett ingenjörssystem.”
Den naturliga världen har upplevt oändligt fler förändringar och skiftningar än vi kan möjligen föreställa oss, med djur som överlever och anpassar sig över 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 områdena vetenskap och teknik.
