Hur robotik kan ta inspiration från naturen

Från att ha varit en källa till nöje för science‑fiction‑författare till att bli ett verktyg för utveckling för mänskligt samhälle, har robotar och robotik rest en lång väg. 

Mellan 2016 och 2028 förväntas den globala robotikmarknaden växa från nästan US$23 miljarder till mer än US$45 miljarder. Vid sin början ansågs robotik vara något som skulle förbli begränsat till industriella områden. 

Tvärtom utgör tjänsterobotik nu mer än hälften av robotikmarknaden. Idag används robotar i stor utsträckning inom fordonsindustrin, kemisk industri, el‑/elektronikindustri, livsmedelsindustri, medicinsk industri och mer. På ett mer innovativt sätt ser robotikleverantörer till att den används i traditionella områden som jordbruk, hushållsarbete och underhållning. 

Även om robotikens roll har varit transformativ i många konventionella fält, kan den lära sig något av världen omkring oss? Idag ska vi titta närmare på scenarier där robotik kan ta en ledtråd från naturen. 

Hur bioinspirerad robotik kan berika sig själv från virvelbävrar

Kända som världens snabbaste simmande insekt kan virvelbävrar uppnå en acceleration på 100 meter per sekund och en topphastighet på 100 kroppslängder per sekund, eller mer exakt 1 meter per sekund. Men hur uppnår de sådan hastighet och acceleration?

Deras flygstrategi studerades av forskare och publicerades i tidskriften Current Biology. Studien hade titeln ”Whirligig Beetle Uses Lift-Based Thrust for Fastest Insect Swimming.” 

Forskningen använde två högupplösta kameror synkroniserade från olika vinklar. Resultatet var en video som detaljerade flygmekanismen: lyftbaserad drivkraft. Den fungerade likt en propeller, där drivrörelsen verkade vinkelrätt mot vattenytan. Mekanismen hjälper till att eliminera drag och ger mer momentum för högre hastighet. 

Varför är detta fynd viktigt? Även om lyftbaserad drivkraft redan identifierats hos stora organismer visar denna studie att fenomenet gäller även på en längdskala så liten som 1 centimeter. 

Enligt Chris Roh, assisterande professor i biologisk och miljöteknik vid College of Agriculture and Life Science, talar detta upptäckt till bioinspirerad robotik och andra ingenjörsgemenskaper om att först identifiera rätt fysik och sedan försöka bevara den fysiken när man skapar robotar. 

Mer specifikt tror Roh att fenomenet kan användas för att utveckla obemannade robotfartyg, som kan bli mycket mindre och mer flexibla genom att utnyttja lyftgenererande framdrivningsmekanismer från virvelbävrar. USA håller på att utveckla sådana båtar som blir fria från begränsningar att erbjuda besättning. 

Denna forskning får oss att se robotik i ett nytt ljus. Det är alltid möjligt att ta ledtrådar från naturen och omvandla dem till mänskligt‑mekaniska designer. Vi har hittat fler exempel på sådan synergi mellan natur/människa och maskinen. 

Octopusinspirerad robot som hyllades som framtiden för mjuk robotik

Skapad 2016 av Cecilia Laschi, professor vid Sant’Anna’s BioRobotics Institute i Pisa, Italien, den octopusinspirerade roboten var oerhört flexibel och kunde reagera på sin omgivning med mycket större känslighet och precision än de flesta andra mjuka robotar som utvecklats fram till dess. I Laschis ord:

”Detta relativt nya forskningsområde har potentialen att omkullkasta våra idéer om vad robotar kan och var de kan vara användbara.”

Robotens krav på beräkningskraft var mycket lägre och den var mycket skickligare på att röra sig på ojämna terränger; den kunde suga in vätska och sedan skjuta ut den från sin kropp. Den kunde skutta över den grova havsbottnen med alla sina åtta ben. 

Robotens konstruktion byggdes med elektro‑aktiva polymerer som kröktes när de utsattes för elektricitet. Robotens framgångsrika tester genomfördes i Medelhavet i början av 2016. Dess utveckling har hjälpt fältet för mjuk robotik att göra stora framsteg sedan dess. 

I ett fall, 2017, Harvard University utvecklade Octobot, en mjuk robot där alla mekaniska komponenter ersattes med motsvarande mjuka system. Den 3D‑skrivits och hade inlagda kanaler som underlättade kraft‑ och rörelsestyrning, driven av gas‑baserad pneumatik. 

Förutom de octopusinspirerade utvecklingarna har bioinspirerad robotik efterliknat andra djur också. Ingenjörerna vid École Polytechnique Fédérale de Lausanne utvecklade till exempel en robot som efterliknade en salamanders rörelse. 

Ett annat forskarlag hämtade inspiration från ormar. På grund av deras förmåga att ta sig igenom komplexa och invecklade terränger kan dessa robotar vara användbara i rymdforskning. 

Pleurobot och Snakebot: Robotik som möjliggjorde komplexa rörelser

Den Pleurobot hämtar inspiration från en salamanders rörelse. Den har en unik ryggrad som hjälper roboten att slingra sig in och ut ur vatten. Den har 11 ryggsegment. Ur ett synsätt var utvecklingen av roboten inriktad på att återstimulerar hur den mänskliga ryggmärgen fungerar samt hur hjärnan interagerar med den. 

Att efterlikna en salamanders rörelse med en robot var ett avgörande genombrott eftersom salamandrar kan växla från krypning till gång till simning genom att utföra samma rörelse, bara med förändrad hastighet. Sådana innovationer kan bli transformerande och revolutionerande när de återfinns i maskiner och robotar. 

Snakebot, å andra sidan, var ett resultat av en grupp forskare vid Carnegie Mellon University. De ville utveckla en robot som skulle efterlikna en orm i krypning genom svår terräng, genom spillror och runt hinder. Robotens längd var 37 tum och diametern 2 tum med 16 leder. Senast rapporterat har NASA använt dessa robotar i sina rymdforskningsprojekt. 

Med dessa utvecklingar och många fler har robotar som tar ledtrådar från naturen, även kallade bioinspirerad robotik, blivit stora. Massachusetts Institute of Technology, en av världens mest beundrade och respekterade institutioner för ingenjörsutbildning, har en kurs i bioinspirerad robotik under sin institution för maskinteknik. 

Kursen syftar till att uppmuntra ett ”interdisciplinärt tillvägagångssätt för bioinspirerad design, med betoning på principextraktion som kan tillämpas på olika robotikforskningsområden, såsom robotik, proteser och mänskliga assistiva teknologier.”

Inte bara stora institutioner är intresserade, utan även storskaliga teknikföretag engagerar sig i bioinspirerad robotik med stor entusiasm. Till exempel utvecklade Boston Dynamics, ett företag som köptes av Hyundai 2021 för ett värde av US$1,1 miljarder, en robot som efterliknar en hund för att utföra många svåra uppgifter. Den fyrbenta maskinen fick namnet Spot. 

1. Boston Dynamics’ Spot: En fyrbent robot som efterliknar en hund

Utvecklad som en huvudlös gul hund, Spot, av Boston Dynamics, kunde klättra uppför backar och navigera trappor. Enheten kostade US$74 500. Den tjänade många syften, från inspektion av fabriker, byggarbetsplatser och farliga miljöer, till att klättra och navigera trappor. 

Spot kan nu operera 24 × 7 utan ingripanden. Den kan ladda sig själv autonomt och omplanera dynamiskt kring nya hinder. Enligt officiella siffror har Spot‑robotar nått mer än 1 000 kunder hittills. 

Spot betjänar en rad industrier, inklusive tillverkning, energi och naturresurser, byggnation, akademi och utbildning samt offentlig sektor. 

Efter att Hyundai slutförde sitt avtal för att ta över Boston Dynamics, ägde den 80 procent av företaget. SoftBank, via ett av sina dotterbolag, behöll kontroll över de återstående 20 procenten. 

Hyundai publicerade sina konsoliderade finansiella rapporter för 2022 den 21 mars 2023. Företaget tjänade 6 126 969 miljoner koreanska won år 2022, en betydande ökning från 3 782 498 miljoner koreanska won år 2021. Utdelningarna som betalades 2022 uppgick till 7 207 miljoner. 

2. ABB:s förvärv av SevenSense: Ett genombrott i utvecklingen av naturinspirerade robotar

ABB, en annan global robotikgigant, köpte nyligen Sevensense, en schweizisk startup som specialiserar sig på att förbättra rörligheten hos industriella robotar. Mer specifikt utvecklar SevenSense sensor‑ och AI‑drivna robotsystem som har ögon‑ och hjärnfunktioner för att manövrera runt anläggningar och täcka hela fabriksutrymmet. 

Lösningarna kommer inte att vara begränsade till fasta produktionslinjer som vanligtvis använder magnetiska remsor. Dessa robotar kan flytta 2 ton material med hastigheter på 1,5 meter per sekund. De är utrustade med sex kameror. Enligt Sami Atiya, ABB:s chef för robotik och diskret automation:

”Under det gamla systemet, när du behövde ändra en produktionslinje på 100 meter, till exempel lägga till en ny produktionscell, var det omöjligt att avleda roboten. Nu kan vi göra det enkelt.”

Enligt deras senaste tillgängliga finansiella rapporten hade ABB en årlig omsättning på US$29,4 miljarder år 2022, jämfört med US$28,9 miljarder år 2021.

3. Yamahas människoförare‑inspirerade Motobot

Inte bara havsdjur och våra fyrbenta vänner, utan robotar tar också ledtrådar från oss människor. Yamahas unika projekt, Motobot, syftar till att skapa en ideal mänsklig robot som kan köra ett fordon utan modifiering för autonom användning. Motobot kan autonomt köra fordonet genom att ta data från fordonshastighet, motorvarv, maskinens hållning och liknande parametrar. 

Yamaha planerar att utrusta Motobot, framöver, med högprecisions‑GPS, sensorer osv., så att den får maskinpositionsigenkänning och kan fatta mer välgrundade beslut om de bästa linjerna att ta på en racerbana och gränserna för motorcykelns prestanda. 

För att utveckla Motobot har Yamaha samarbetat med SRI International, ett ledande globalt forskningsinstitut. Visionen är att hämta inspiration och kunskap från de underliggande teknologierna som är aktiva i utvecklingen av MOTOBOT, såsom robotstyrning och människa‑maskin‑gränssnittsskapande. 

Enligt deras senaste tillgängliga årsrapport för räkenskapsåret 2022, tjänade Yamaha mer än 408 miljarder japanska yen det året med en kärnoperativ vinst på 43 miljarder japanska yen. 

En lista med oändliga utvecklingar

Under vår begränsade tid kunde vi diskutera flera banbrytande exempel där robotik hämtade betydande inspiration från naturen. Men en genomgång av tillgängliga forskningspublikationer visar att det bara var toppen av isberget. Robotik, som ett studie‑, forsknings‑, utvecklings‑ och tillämpningsområde, har dragit kraftigt från naturen och kommer fortsätta göra det. 

Robothjälmar, till exempel, är starkt inspirerade av fåglar. Inte bara i deras flygmekanism, fåglar inspirerar även drönare att flyga effektivt i dåligt väder och mot hårda vindar. 

Dykande fåglar ledde till skapandet av Aquatic Micro Air Vehicle (AquaMAV) vid Aerial Robotics Laboratory på Imperial College London. Dessa AquaMAV‑er kan dyka ner i vatten med hög hastighet, poppa upp igen och skjuta ut vatten genom en jet. Dessa lösningar används i en rad fall, inklusive insamling av vattenprover för räddningsuppdrag eller undersökning under vatten. 

Fjärilar har inspirerat mikrorobotar att ha en speciell typ av vingstruktur som kan hjälpa dem att flyga längre och undvika olyckor. 

Boston Dynamics, ett av företagen vi redan diskuterat, har en annan robot kallad Atlas, som är en intelligent tvåbent humanoid. 

Jessiko är en undervattensrobot som använder fenor för att ta sig genom vatten. DelFly Micro är en 3,07‑gram fladdrande‑vinge‑robot som – som namnet antyder – är inspirerad av flugan. Världen har också bevittnat framkomsten av sköldpadds‑inspirerade 3D‑skrivna, fyrbenta mjuka robotar. 

Natur har miljontals djur och insekter. Dessa djurs och insekters evolutionära förmågor får dem att göra fantastiska saker. Människor är inget undantag. Att lära sig hur dessa kroppar fungerar skulle öppna många möjligheter för robotar. 

Många uppgifter som kräver att människor reser till riskfyllda platser kan utföras av dessa robotar. Dessa robotar kan inte bara utföra dessa uppgifter utan kan göra dem med högre hastighet och effektivitet med stor finess och precision. De kan hjälpa till att utföra många repetitiva uppgifter för att skapa mer tid för den mänskliga hjärnan att göra det den gör bäst: idéer och skapa nya saker för att föra civilisationen framåt. 

Klicka här för listan över de tio bästa robotikföretagen.