Robot z granulatu

„Granulobot” może się rozkładać i ponownie składać oraz reorganizować, by dostosować się do otoczenia

Ławice ryb, kolonie pszczół i klucze ptaków wykazują w naturze zachowanie rojowe, płynąc jak ciecz w zsynchronizowanej, zmieniającej kształt koordynacji. Przez pryzmat mechaniki płynów rojenie jest przedmiotem szczególnego zainteresowania fizyków, takich jak Heinrich Jaeger, profesor fizyki z Uniwersytetu w Chicago Sewell Avery Distinguished Service. To profesor w dziedzinie fizyki i Instytutu Jamesa Francka.

Zdolność roju do przepływu jak ciecz, wspólnego działania bez przywódcy i reagowania na otoczenie zainspirowała najnowsze dzieło Saintyvesa i Jaegera, które nazwali „Granulobotem”. Potrafi się rozdzielić, złożyć ponownie i zreorganizować, aby dostosować się do otoczenia. W zależności od konfiguracji może zachowywać się albo jako sztywne ciało stałe, albo jako płynąca ciecz.

System zbiorczy „zaciera różnicę między robotyką miękką, modułową i rojową” – twierdzi zespół.

Prototyp, opracowany we współpracy z Matthew Spenko, profesorem na Wydziale Inżynierii Mechanicznej i Lotniczej w Illinois Institute of Technology w Chicago, opisano w artykule opublikowanym w Science Robotics. Taka konstrukcja pozwala poszczególnym jednostkom poruszać się jako całość, podobnie jak rój pszczół.

Miękkie maszyny

„Robot granulowany” to zbiór prostych, cylindrycznych jednostek przypominających przekładnię, wyposażonych w dwa magnesy, które mogą obracać się wokół osi cylindra. Jeden magnes obraca się swobodnie, drugi napędza silnik zasilany akumulatorowo. Taka konstrukcja umożliwia magnetyczne łączenie poszczególnych jednostek, a po połączeniu popychają sąsiadów i powodują ich obrót. Kontakt pomiędzy każdą jednostką porusza agregat jako całość, podobnie jak rój.

Dziedzina robotyki miękkiej jest szczególnie interesująca w zastosowaniach, w których roboty współpracują z ludźmi – mówi Jaeger. – Nie chcesz, żeby ludziom stała się krzywda. Jednak potrzeba miękkiej robotyki wykracza poza bezpieczeństwo i dotyczy przydatności. Robot, który potrafi zmieniać kształt, może wpełzać w „zakamarki i zakamarki” – mówi Jaeger lub radzić sobie w niepewnym terenie – co jest przydatne na przykład podczas poszukiwań i ratownictwa.

Aby robot mógł zmieniać kształt i wykonywać różne funkcje, kluczowa jest jego zdolność do przewidywalnych i odwracalnych zmian między sztywnym a miękkim. Materiały ziarniste posiadają nieodłączne właściwości, które umożliwiają tę transformację. Ta klasa materiałów może przechodzić między zachowaniem cieczy i ciała stałego w oparciu o kontakt, a nie temperaturę.

Przejście to spowodowane jest zjawiskiem zwanym zakleszczaniem, które ma miejsce, gdy cząstki w nieuporządkowanym, chaotycznym układzie znajdują się tak blisko siebie, że napierają na siebie i ich przepływ zatrzymuje się. Jaeger – fizyk materii skondensowanej – opisuje to jak jazdę po autostradzie: Czasami jedziesz wzdłuż, ale czasami zatrzymujesz się zderzak w zderzak i ruch zamiera. Kiedy dzieje się to w przypadku materiału ziarnistego, mówi Jaeger, „w zasadzie mamy do czynienia z dużym korkiem”.

Zakleszczanie można zobaczyć w akcji z kostką zapieczętowanej próżniowo kawy: rozbij uszczelkę, a zmielone ziarna mogą się wysypać.

Cylinder Granulobota jest znacznie większy niż mielona kawa, ale zasada jest taka sama.

Zagłuszanie jest dla Granulobota podstawą do przejścia od plastycznego, bardziej płynnego zachowania”– mówi Jaeger – do czegoś znacznie bardziej przypominającego ciało stałe.

Skalowalność

Granulobot zaprojektowano w celu zademonstrowania modułowego, samoorganizującego się podejścia zespołu, ale być może w przyszłości moduły mogłyby być niezwykle małe — tysiące jednostek tak małych, że grupa wydaje się być pojedynczą masą, zauważa Jaeger. – Innym kierunkiem, o którym naprawdę warto pomyśleć, jest uczynienie ich znacznie, znacznie większymi.

Granulobot obiecuje ekscytujący postęp w robotyce, jednak Saintyves i Jaeger są fizykami. Wykorzystują te badania do znalezienia nowych sposobów myślenia o materii. – W zależności od samokoordynacji i transferu energii wokół otoczenia, Twój system będzie albo programowalnym materiałem, albo autonomicznym robotem. To kontinuum – mówi Saintyves. Ale „zacieramy granicę między materią a robotyką”. W klasycznym podejściu do materii programowalnej materiał jest maszyną; „Tutaj badamy koncepcję, że maszyna jest materiałem”.

Naukowcy współpracują z Polsky Center nad komercjalizacją technologii.

Finansowanie: Narodowa Fundacja Nauki, Biuro Badań Armii.

Źródło: materiały Uniwersytetu Chicagowskiego, zdjecie zajawaka: dzięki uprzejmości Saintyves and Jaeger/Uniwersytet Chicagowski