Miękka przyszłość robotyki

Robotyka rozwija się coraz szybciej, znajdując nowe zastosowania w sektorze produkcji, medycyny, militariów, a nawet zabawek. Niedawno pojawiła się kolejna odmiana maszyn, która być może zrewolucjonizuje sposób myślenia o robotach. Wkrótce będziemy musieli odmienić utrwaloną wizję twardych, wykonanych z metalu czy tworzyw sztucznych konstrukcji, i zacząć postrzegać świat automatów jako coś... miękkiego!

Dwa lata temu naukowcy na Uniwersytecie Harvarda zbudowali dość nietypowego robota. Niewielkie urządzenie do złudzenia przypomina wyglądem małą, przezroczystą ośmiornicę, tyle że... w jej wnętrzu można bez trudu zauważyć niebieskie i czerwone elementy jakiegoś mechanizmu. Wynalazek nazwano Octobotem, od angielskiego słowa octopus, czyli ośmiornica. Wprawiony w ruch dość niezgrabnie porusza ramionami i nie wygląda na coś, co miałoby zrewolucjonizować światowy rynek robotyki. Okazuje się jednak, że Octobot jest w całości wykonany z miękkich elementów. Tak więc żadna jego część nie może ulec złamaniu. Porusza się dzięki przekształceniu nadtlenku wodoru ze stanu płynnego w gazowy i napełnianiu nim odpowiednich komór w „mackach”. Wszystkim steruje (również miękka) płyta główna. Robota zbudowano za pomocą drukarki 3D, która „wmontowała” przestrzenny układ przewodów i zbiorników w wykonane z silikonu „ciało”. W ten sposób powstała bazująca na różnicach ciśnień bramka logiczna, czyli chemiczny układ scalony sterujący ruchami Octobota.

Ośmiornica zbudowana przez zespół z Uniwersytetu Harvarda nie wydaje się specjalnie użytecznym wynalazkiem. Nie porusza się ani precyzyjnie, ani szybko, nie potrafi też wykonywać konkretnych zadań. Coś musi być na rzeczy, skoro w 2017 roku rynek miękkiej robotyki (soft robotics, SR) szacowano na ponad 312 milionów dolarów. Jego wartość do roku 2023, zgodnie z obliczeniami firmy badawczej Mordor Intelligence, ma wzrosnąć ponaddziesięciokrotnie – do ponad 3,3 miliarda dolarów. Głównym powodem tak dynamicznego wzrostu ma być znaczny potencjał robotów medycznych, rehabilitacyjnych, produkcyjnych oraz służących jako pomoc w relacjach człowieka z maszyną.

Miękka robotyka ma zastosowanie w rehabilitacji i budowie protez. Już dziś używane są na przykład rękawice wyposażone w siłowniki, które stymulują ruchy palców u osób z porażeniem mięśni. Siłę ich działania można dokładnie dostosować do potrzeb pacjenta – wartości dla każdego palca są podane w niutonach. Co jednak najważniejsze, rozmiar rehabilitacyjnych rękawic, sztucznych łokci czy nawet ramion można bardzo łatwo dopasować.

Niektóre cechy miękkich robotów dają im przewagę nad twardymi. Deformowalne korpusy pozwalają im lepiej dostosować się do otoczenia. W kontakcie z człowiekiem istnieje niewielkie ryzyko zranień, czego niestety nie można powiedzieć o maszynach zbudowanych ze stali i plastiku. Ponadto okazuje się, że nowy rodzaj automatów jest wyjątkowo mocny – naukowcom z Instytutu Inżynierii Inspirowanej Biologią im. Hansjörga Wyssa na Uniwersytecie Harvarda udało się stworzyć miękkie siłowniki wyposażone w wewnętrzny szkielet, zdolne do podniesienia ładunku o masie tysiąckrotnie przekraczającej ich własną. Działają dzięki różnicom ciśnień wody lub powietrza zamkniętego w elastycznej „skórze”.

Zakres ruchów takiego robotycznego mięśnia jest naprawdę duży – może nie tylko się kurczyć, ale również skręcać w dowolnej osi lub chwytać przedmioty. Co jednak najważniejsze, projekt jest bardzo prosty i nie wymaga drogich materiałów. Wystarczy poliester, PCV, PVA, guma silikonowa lub folia TPU. Nic nie stoi na przeszkodzie, by zrobić robota z substancji ulegającej rozpuszczeniu w wodzie lub nawet... jadalnej!

Poruszające się dzięki różnicom ciśnień siłowniki, używane przez miękkie roboty jako odnóża czy manipulatory to jednak nie koniec możliwości. Na Uniwersytecie Stanowym Karoliny Północnej, pod kierownictwem Michaela Dickeya, powstają narzędzia zbudowane z hydrożelu. Ta elastyczna, przejrzysta substancja, w której woda zmieszana jest z cząsteczkami polimerów, może być utwardzana za pomocą impulsów elektrycznych. Podczas badań do porcji hydrożelu wprowadzano elektrodę z jonami miedzi, co powodowało jego odkształcenie. Naukowcy badają możliwości związane z utwardzaniem hydrożelu w precyzyjny sposób tak, by spowodować konkretne efekty – na przykład chwycenie czegoś miękką, żelową pęsetą. Zespół z Uniwersytetu Stanowego Karoliny Północnej planuje opracować „biologicznie kompatybilne narzędzia”, do precyzyjnego dawkowania leków, kierowania wzrostem komórek czy służące jako rusztowanie dla wzrastających tkanek. A to tylko próbka możliwości miękkiej robotyki w medycynie...

Wyobraźmy sobie młodego, niedoświadczonego chirurga przeprowadzającego swoją pierwszą operację. Każdy musi się kiedyś nauczyć zawodu, ale żaden pacjent nie chciałby być obiektem ćwiczeń.

W sukurs przychodzi program ImPACT, którego pomysłodawcy proponują użycie bardzo precyzyjnych, wyposażonych w sensory, lalek dla początkujących chirurgów. Adepci medycyny mogliby na nich testować swoje umiejętności. Modele mają na tyle dokładnie odzwierciedlać reakcje ludzkiego ciała, by mogły posłużyć również jako obiekty rozmaitych badań – na przykład przy testowaniu działania robotów medycznych. Już same gałki oczne sztucznego człowieka stwarzają możliwość ćwiczenia zabiegu leczenia jaskry, a także witrektomii (usunięcia błony przedsiatkówkowej). W głowie lalki znajduje się realistycznie wyglądający mózg do treningu operacji przeprowadzanych z endoskopem wprowadzanym przez nos pacjenta. Inny model ma dokładnie odwzorowaną sieć naczyń krwionośnych wraz z czujnikami, rejestrującymi uszkodzenia czy naciski – to z kolei służy lekarzom do ćwiczenia operacji przeprowadzanych wewnątrz naczyń krwionośnych.

Dzięki bionicznym modelom ludzkiego ciała tworzonym w ramach projektu ImPACT chirurdzy mogą ćwiczyć przeprowadzanie rozmaitych operacji, nie narażając pacjenta na szkody w razie popełnienia błędu.

Gdzie jest w tym wszystkim miękka robotyka? Technologia ta znajduje zastosowanie w tworzeniu skomplikowanych modeli ludzkiego organizmu. Dzięki ruchomym elementom uczący się pracują w „żywym” środowisku, które zachowuje się niczym prawdziwy pacjent pod narkozą. Elastyczne, sztuczne tkanki nie tylko ulegają uszkodzeniom tak samo, jak ludzkie, ale również od razu sygnalizują popełnienie błędu (na przykład kiedy przebite skalpelem utracą ciśnienie), a także miarowo poruszają się, imitując oddech czy bicie serca.

W związku ze sztucznym pacjentem nasuwa się pomysł – co, gdyby tak precyzyjnie wykonane organy wewnętrzne służyły jako zastępniki ludzkich? O tym naukowcy również już pomyśleli. Twórcy projektu HybridHeart planują skonstruowanie sztucznego serca dla potrzebujących przeszczepu. Zgodnie z szacunkami, rocznie około 26 milionów osób na świecie umiera z powodu chorób mięśnia sercowego, a organów do transplantacji zawsze brakuje. Dlatego w ramach projektu skupiającego osiem prestiżowych placówek naukowych w czterech krajach Europy opracowywane jest serce korzystające z możliwości miękkiej robotyki. Organ ma być oczywiście biokompatybilny, co oznacza, że organizm nie odrzuci go jako ciała obcego. Będzie składał się z miękkiej powłoki wypełnionej sztucznymi mięśniami i czujnikami. Cały mechanizm odwzoruje w precyzyjny sposób pracę prawdziwego serca.

O wiele prostsze, ale równie użyteczne zastosowanie miękkiej robotyki w medycynie to delikatne i precyzyjne ramię operacyjne. W Przemysłowym Instytucie Automatyki i Pomiarów w Warszawie opracowywany jest projekt STIFF-FLOP, czyli manipulator chirurgiczny zdolny do operowania w standardowym porcie chirurgii małoinwazyjnej. Mówiąc wprost, da się go bez ryzyka uszkodzenia tkanek pacjenta wprowadzić do otworu o średnicy 12–20 milimetrów. Giętkie robotyczne ramię będzie mogło dostosowywać się na bieżąco do kształtu nacięcia. Efekty pracy zaprezentowano już na targach w Hanowerze.

Do niedawna głównym ograniczeniem dla miękkich robotów w przemyśle były zbyt duże obciążenia. Teraz ten problem stał się już praktycznie przeszłością, dzięki zastosowaniu wewnętrznego szkieletu. Taki pomysł wydaje się przeczyć idei „miękkości” robotycznych ramion... Cóż, nie do końca…

Naukowcy z Laboratorium Informatyki i Sztucznej Inteligencji Instytutu Techniki w Massachusetts (MIT CSAIL) i Instytutu Wyssa na Uniwersytetcie Harvarda połączyli miękką robotykę ze specjalnie zaprojektowanym szkieletem. Całość wygląda jak umieszczony w foliowej torebce pozwijany kawałek metalu bądź plastiku. Mięsień wykonany w taki sposób kurczy się i rozciąga w zależności od zmian panującego wewnątrz ciśnienia. Odpowiednio skonstruowany szkielet może wykonać ruch zginający, skręcający, a nawet zaciskać manipulator jak obręcz na wybranym przedmiocie.

Miękkie chwytaki w przyszłości mogą zastąpić pracowników fabryk przy wykonywaniu powtarzalnych – ale wymagających precyzji –zadań. Dzięki zastosowaniu nowoczesnej technologii maszyna zyska możliwość chwycenia produktu delikatnie, jak ludzka dłoń, popełniając jednocześnie mniej błędów. Pierwsze urządzenia tego rodzaju już pracują, a za ich produkcję odpowiada firma Soft Robotics.

Miękkie roboty wyposażone w szkielet podnoszą bardzo duże ciężary, będąc jednocześnie o wiele bezpieczniejsze od ciężkich, stalowych ramion. Wydatek energetyczny podczas pracy jest w tym przypadku znacznie mniejszy. Profesor Daniela Rus z MIT CSAIL twierdzi, że nowe, silne roboty z pewnością znajdą wiele zastosowań przy przenoszeniu ładunków, np. w magazynach czy na placach budowy.

Siła to jednak nie jedyna zaleta miękkich robotów stosowanych w branży przemysłowej. Okazuje się, że doskonale nadają się do pracy w fabrykach, gdzie produkuje się delikatne elementy. Na przykład firma Soft Robotics opracowała miękki manipulator, który szybko i bezbłędnie przenosi delikatne plastikowe produkty z taśmy i układa je w pudełku. Okazuje się, że chwytak Soft Robotics jest o wiele precyzyjniejszy niż ludzie. Pracownicy przenoszący łamliwe plastikowe klipsy ręcznie, z taśmy do pudełek, powodowali od czasu do czasu uszkodzenia, co zaburzało pracę firmy. Od kiedy zainstalowano miękki manipulator, problem zniknął.

Miękkie roboty znajdują zastosowanie również gdzie indziej. Mówi się na przykład o wchłanialnych nanorobotach. Specjalnie zaprojektowane mogłyby dostarczać lekarstwo w wybrane miejsce organizmu, a następnie ulegać rozkładowi.

Kolejnym niecodziennym zastosowaniem SR jest inspekcja wysokich budynków. Projekty robota wspinającego się po pionowych powierzchniach (wygląda jak gąsienica i porusza się w analogiczny sposób) zaprzątają głowy naukowców już dziś. Z podobnych względów miękkie roboty mogą się przydać do poszukiwań osób zaginionych wskutek trzęsień ziemi, lub do eksploracji jaskiń. Wojsko amerykańskie również interesuje się możliwością zastosowania niewielkich, przypominających bezkręgowce robocików do penetrowania budynków przez niewielkie szczeliny. Do tego celu planują skorzystać z druku 3D, za pomocą którego można otrzymać działające mechanizmy zatopione w miękkich materiałach.

Miękkie roboty mają wiele przewagi nad twardymi, w tym również niższe koszty ich produkcji, co przy mnogości ich zastosowań wydaje się bardzo dużą zaletą. Można więc założyć, że prognozy dotyczące popularyzacji technologii sprawdzą się, a już niedługo na własne oczy ujrzymy świat wypełniony przyjemnymi w dotyku automatami.