NAUKA I ASTRONOMIA

Małe mikroroboty ciągnące samochód

Grupa mrówek może przenosić obiekty wiele razy większe i cięższe od nich. Zdolność ta zainspirowała badaczy do budowy małych robotów, które mogą robić to samo. Zespół inżynierów skonstruował roboty o wielkości zaledwie 29 milimetrów, które mogą “przyssać” się do powierzchni. W przeprowadzonych testach okazało się, że sześć takich robotów, pracując razem, jest w stanie ciągnąć cały samochód – wraz z kierowcą!

Jak możecie się domyślać – auto nie poruszało się zbyt szybko. Jego prędkość dzięki robotom to 12 i pół centymetra na minutę.

Kiedy mrówki niosą ze sobą duży przedmiot, taki jak kawałek drewna, potrzebują do tego dobrej przyczepności. W celu jej zwiększenia, każda z mrówek stawia swoje stopy mocniej, wciskając je silniej w grunt. Zwiększa to obszar styku pomiędzy każdą stopą a powierzchnią. Zachowanie to stało się inspiracją dla Davida Christensena oraz jego zespołu z Stanford University w Palo Alto (Kalifornia).

Mrówki mogą przylgnąć to gładkiej ściany czy innej śliskiej powierzchni dzięki małym poduszeczkom na ich stopach. Kiedy mrówka stawia swoją stopę, malutka kropla żelu sączy się między poduszeczką, a ścianą – utrzymuje to ją w miejscu. Kiedy mrówka chodzi – tylko niewielka część stopy dotyka podłoża. Dzięki temu mrówki mogą poruszać się tak sprawnie i szybko. Na tej podstawie inżynierowie chcieli stworzyć malutkie roboty, które mogą przenosić duże i ciężkie obiekty. Ponieważ roboty nie mogły korzystać z mrówkowego żelu, badacze zwrócili uwagę na stopy gekona.

Spód stopy gekona posiada warstwy tkanki, które są pokryty malutkimi włoskami. Kiedy zwierzak nałoży nacisk na stopę, wówczas te struktury zostaną rozłożone. Zwiększa to kontakt pomiędzy stopą, a powierzchnią, do której przylega gekon. Ten kontakt pozwala siłom (oddziaływaniom) van der Waalsa utrzymać stopę na powierzchni. Siły te to maleńkie elektryczne przyciągania pomiędzy cząsteczkami. Zwiększając powierzchnię pomiędzy stopą, a liściem, ścianą czy innym obiektem – gekon wykorzystuje odpowiedni poziom siły van der Waalsa, aby pozostać na miejscu. Tego rodzaju lepkość nazywamy przyczepnością.

Przyczepność jest jednym z kroków, na które zwrócił uwagę Christensen. Jest jednak tak samo ważna jak możliwość rozłączenia połączenia pomiędzy stopą, a powierzchnią. W innym przypadku, jak mówi sam naukowiec, “insekt czy robot utknęli by w miejscu, bez możliwości poruszania się”. Zespół opracował na tej bazie roboty, które potrafią z łatwością przyssać i oderwać swoją “stopę”.

W tym celu opracowano stopę o wielkości 25×25 milimetrów, dla swoich 29-milimetrowych robotów. Pokryta ona została od spodu małymi klinami substancji podobnej do gumy, ale wykonanymi z silikonu. Każdy taki klin to zaledwie 0.1 milimetra długości. Kiedy robot osiada na powierzchni, tylko końcówki tych klinów dotykają powierzchni. Jednakże kiedy stopa wykonuje ruch, wówczas kliny rozpłaszczają się po powierzchni, zwiększając z nią kontakt. Działają tu również siły van der Waalsa, kotwicząc stopę w jednym miejscu.

Spłaszczenie klinów dodaje także energii sprężystej – pomyślcie o sprężynie, która została ściśnięta razem. Kiedy zostaje uwolniona, jej zwoje szybko się rozprostowują. Ten sam rodzaj energii pozwala klinom na uwolnienie się od powierzchni, do której uprzednio przylegały.

Po szeregach prób zespół zakończył prace na malutkim robocie nazwanym Tug (grecka litera – oznacza “mikro”, a Tug z angielskiego to “pociągnięcie”). Malutkie i odważne Tug posiadają jedną stopę oraz dwa kółka do poruszania się. Każdy z nich wyposażony jest również w wciągarki, które pozwalają im przesuwać/ciągnąć ciężkie ładunki.

Tug porusza się na kołach, kuca i kotwiczy stopę do powierzchni. Następnie wykorzystuje urządzenie do przyciągania bliżej ładunku. Na koniec stopa jest zwalniania, a forma łańcucha rozwija się nieco, kiedy koła przesuwają robota do przodu. Następnie robot się zatrzymuje i cały proces zaczyna się od nowa.

W praktyce ?Tug, który sam waży 12 gramów, był w stanie pociągnąć 22.5-kilogramowy ładunek. Oznacza to, że ten mikrorobot jest w stanie przesunąć obiekt, który przewyższa go wagą o prawie 2000 razy!

Kolejnym krokiem było sprawdzenie czy “Tugi są w stanie pracować razem, tak jak robią to mrówki. Powstało pytanie, czy jeśli by się to udało, to czy byłyby skuteczniejsze w tego typu działaniach od innych mikrorobotów”

Zespół porównał ze sobą kilka rodzajów mikrorobotów. Oczywiście swojego ?Tug, Hexbug Nano oraz Hexbug Scarab. Hexbug Nano posiada 12 nóżek podobnych do włosów (szczotki). Pozwala im to drgać w poprzek podłoża. Hexbug Scarabs posiadają 6 nóg, którymi mogą ruszać od siebie niezależnie. Sprawdzono, które z nich w najlepszy sposób radzą sobie z zespołowym ciągnięciem obiektów.

Naukowcy podzielili roboty na drużyny (tak, tak – naukowcy też ludzie :)). Każdy z drużyn miała początkowo dwa roboty, następnie trzy i cztery. Kontynuując dodawanie kolejnego członka drużyny, naukowcy stworzyli w końcu grupy sześciu Tug, Hexbug Scarab oraz 20 Hexbug Nano.

Okazało się, że zarówno Hexbug Nano nie są w stanie działać efektywnie w grupach, podobnie jak biegające Hexbug Scarab. Jednak kiedy te ostatnie chodziły – wówczas wypadały lepiej w większych grupach, gdyż podczas chodzenia ich stopy zostawały w kontakcie z podłożem. Dawało im to lepszą przyczepność, przez co mogły razem ciągnąć większe obiekty.

Jak łatwo się domyśleć najlepiej wypadającymi były Tugi. Kiedy pracowały razem – sześć z nich mogło wykonać więcej niż 6-krotną pracę pojedynczego robota. Dzięki stopom tego mikrorobota, które potrafią idealnie przylegać, mogą one świetnie pracować zsynchronizowane. W efekcie tego sześć ?Tugów może pociągnąć 1800-kilogramowy samochód wraz z kierowcą.

Pokaz i raport z tych osiągnięć był zaprezentowany 15 lutego poprzez IEEE Robotics and Automation.

“Samochody posiadają koła i stąd łatwej jest je poruszyć”, mówi Christensen. “Dlatego też waga jest tak duża w porównaniu z tym czego można się spodziewać po naszych robotach”. Bez tych kół, sześć “Tugów jest w stanie pociągnąć “jedynie” wagę przeważającą je o 12000 razy. Gdybyśmy chcieli wykorzystać Hexbug Nano, aby przeciągnęły ten sam samochód, potrzebowalibyśmy ich więcej niż” 4000.

Christensen upatruje wykorzystanie swoich mikrorobotów podczas wszelkiego rodzaju katastrof. Mogą one przykładowo przeszukiwać gruzy, odciągając zawaliska tam gdzie trudno dotrzeć ludziom i większym maszynom. “Pracując razem są w stanie wydostać nawet ofiary, przebić się przez zamknięte drzwi czy nawet otwierać i zamykać wszelakie zawory”.

“To bardzo ekscytująca praca”, mówi Aaron Becker – inżynier komputerowy z University of Houston, który nie był zaangażowany w badania. Drobne roboty są w stanie wykonać zdumiewającą pracę. “Chciałbym zobaczyć jak naukowcy zmniejszają je jeszcze do rozmiaru milimetra lub jeszcze bardziej”.

A teraz zobaczcie te małe roboty w akcji.

Źródło: Society For Science Grafika: Karen Landenheim Video: Stanford University

O autorze...

Alan O. Grinde

Alan O. Grinde

Animator i manager kultury. Rzecznik prasowy Fundacji Rozwoju Indywidualnego "Praca Moc Energia". Lektor i właściciel Studio Frequency Institute. Basista i programista w Epilepsy Injection Device oraz kilku innych projektach.