Budowa robotów naśladujących rośliny
Wielu z nas prawdopodobnie wyobraża sobie roboty jako mniej więcej humanoidy - oglądane w niezliczonych filmach science fiction - lub coś więcej niż mobilne komputery. Tymczasem partnerzy dofinansowanego ze środków unijnych projektu, przy opracowywaniu nowej generacji robotów i technologii ICT czerpią inspirację z inteligentnych i efektywnych strategii roślin, takich jak wyczuwanie czy rozproszona inteligencja adaptacyjna. W szczególności korzenie roślin są doskonałymi, naturalnymi kopaczami - zauważa dr Barbara Mazzolai z Centrum Mikro-BioRobotyki przy Istituto Italiano di Tecnologia (IIT), koordynatorka projektu. Cechy charakterystyczne korzeni - takie jak adaptacyjny rozwój, ruchy energooszczędne i zdolność do penetracji gleby pod dowolnym kątem - są interesujące z punktu widzenia inżynierii - jak podkreśla badaczka. W istocie, ze względu na swój osiadły tryb życia, rośliny wykształciły zdolność do reagowania na szeroki zakres sygnałów i skutecznego przystosowywania się do zmieniających się warunków środowiskowych. Rośliny i substancje organiczne są tak zoptymalizowane, aby obniżać zużycie energii w czasie poruszania się i te zdolności oferują niezliczone rozwiązania na potrzeby świata robotów, wykorzystując rozwiązania bez mięśni, a więc niekoniecznie zwierzęce. Magazyn research*eu nt. wyników poprosił dr Mazzolai, aby opowiedziała więcej na temat prac prowadzonych w ramach projektu PLANTOID1. Jakie są główne tematy i cele projektu PLANTOID? Celem jest opracowanie projektu, zbudowanie prototypu i przeprowadzenie walidacji nowej generacji systemów robotycznych oraz sprzętu ICT i technologii programistycznych inspirowanych korzeniami roślin. Na podobieństwo swoich naturalnych odpowiedników, systemy robotyczne dysponują rozproszonym wyczuwaniem, poruszaniem się i inteligencją do prowadzenia eksploracji gleby i zadań monitorowania. Jest wiele cech roślin i ich korzeni, które analizujemy w ramach projektu, między innymi: zdolność do rozwoju i ruchu w odpowiedzi na zewnętrzne bodźce; wzrost od końcówki korzenia poprzez dodawanie komórek i wytwarzanie bocznych włosków, aby zmniejszyć tarcie i ciśnienie potrzebne do penetracji gleby; zdolności czuciowe do wykrywania różnych wielkości fizycznych i chemicznych w środowisku; wzbudzanie osmotyczne, wykorzystywane do szybkich ruchów lub pobudzania powolnych ruchów; oraz wyłaniające się zachowanie poprzez koordynowanie korzeni całego organizmu w kierunku optymalnych celów. Co nowego lub innowacyjnego wnosi ten projekt? Rośliny z rzadka uznawane są za model mogący dostarczać inspiracji w toku projektowania i opracowywania nowej technologii - zwłaszcza w robotyce. Wynika to prawdopodobnie z zasadniczo odmiennych zasad funkcjonowania w porównaniu ze zwierzętami i trudności w badaniu ich ruchów i cech. W konsekwencji rośliny są często postrzegane jako organizmy pasywne, niezdolne do poruszania się, komunikowania i ucieczki z nieprzyjaznego środowiska. Pierwszym innowacyjnym aspektem tego projektu jest obserwacja roślin z innej perspektywy i traktowanie ich strukturalnych, funkcjonalnych i fizjologicznych właściwości jako rewolucyjnego źródła inspiracji w robotyce i technologiach ICT. Rośliny bazują na ewolucyjnych strategiach ukierunkowanych na redukowanie zużycia energii i optymalizację wykorzystania lokalnych zasobów. PLANTOID to pierwszy robot zaprojektowany rzeczywiście tak, aby rozwijał się w sposób inspirowany przez korzenie roślin, przy wykorzystaniu podobnych strategii do penetrowania i eksplorowania gleby w energooszczędny sposób. Co skłoniło Panią do podjęcia badań, w których projektowanie technologii opiera się na uczeniu się od przyrody? Moim osobistym celem w dziedzinie biorobotyki jest lepsze poznanie przyrody i zasad funkcjonowania żywych organizmów, aby formułować koncepcje, projektować i tworzyć nowe, sztuczne urządzenia i bioinspirowane roboty. Przyjęte przeze mnie podejście polega najpierw na wyborze systemów biologicznych - w tym przypadku roślin - o odpowiednich cechach charakterystycznych, które chciałabym zastosować w robotach. Następnie przechodzimy do identyfikacji i wyodrębnienia kluczowych zasad leżących u podstaw tych funkcji biologicznych oraz przełożenia ich na rozwiązanie technologiczne. Jednocześnie moim celem jest pogłębienie wiedzy o systemie biologicznym, który wykorzystujemy jako model. W tym celu nie możemy po prostu kopiować przyrody, tylko raczej musimy dobierać starannie modele biologiczne, z których możemy wyodrębnić podstawowe zasady i przełożyć je na sztuczne urządzenie. Jakie trudności napotkaliście i jak je pokonaliście? Poruszanie się po nieuporządkowanym środowisku, takim jak gleba, wymaga nowych podejść. Zaproponowaliśmy nową koncepcję rosnącego robota przypominającego korzenie, który penetruje glebę, rozbudowując własną strukturę za pomocą addytywnej techniki nawarstwiania. Warstwy nowego materiału są odkładane w sąsiedztwie końcówki urządzenia, aby wytworzyć siłę napędową na końcówce i pustą konstrukcję rurową rozciągającą się do powierzchni gleby. Odkładanie materiału na końcówce obniża tarcie niemal do zera, a boki rury nie poruszają się, redukując zużycie energii niezbędne do penetracji gleby. Jakie konkretne wyniki przyniosły dotychczas badania? Pierwszy prototyp PLANTOID jest wyposażony w dwa korzenie funkcjonalne, z których jeden urzeczywistnia sztuczny rozwój i penetrację gleby poprzez addytywne przetwarzanie materiału, a drugi wykorzystuje zdolności wyginania się w trzech kierunkach: układy czujników temperatury, wilgotności, grawitacji i dotyku oraz elektronika niezbędna do przystosowywania czujników i kontrolowania ruchów. Obydwa korzenie są wbudowane w pień wyposażony w płytę główną mikrokontrolera z systemem komunikacji. Gałęzie mają sztuczne liście wykonane z materiałów, które „reagują” na zmiany warunków środowiskowych (np. wilgotność i temperaturę). Wynik stanowi wstęp do bardziej złożonych prac badawczych nad strukturą hierarchiczną ścian komórkowych roślin. Jeżeli chodzi o komponenty, to opracowane zostały nowe siłowniki osmotyczne, które można wykorzystywać jako komponenty per se (np. do pasywnego uwalniania leków) albo stosować do wyginania robotycznego korzenia. W robotyczny korzeń zostanie wbudowanych kilka czujników do wykrywania następujących parametrów: grawitacja, temperatura, dotyk, wilgotność, sód (Na+), potas (K+), pH, azotan (NO3) i fosforan. Jakie zalety wiążą się z udziałem w tego typu unijnym projekcie? Projekty europejskie, takie jak PLANTOID, oferują możliwość łączenia różnych kompetencji i umiejętności, poszerzania multidyscyplinarności, rozwiązywania złożonych problemów oraz nawiązywania nowych relacji współpracy naukowej i technologicznej. Co więcej, tego typu projekty stwarzają możliwości szkoleniowe dla młodych naukowców, którzy są otwarci i funkcjonują w kontekście europejskim. Jakie są kolejne etapy projektu lub tematy waszych prac badawczych? Na kolejnych etapach skupimy się na integracji zidentyfikowanych funkcji w jeden korzeń robotyczny z wbudowanymi sensorami, siłownikami, jednostkami kontrolnymi, strefą wydłużania/wzrostu i obszarem wyginania. Korzenie robotyczne będą w stanie penetrować glebę i ukierunkowywać się na podstawie grawitacji, bliskości wody lub innych substancji chemicznych. Jeżeli chodzi o stronę inżynieryjną, to naszym celem jest opracowanie nowych, elastycznych robotów inspirowanych roślinami, które są w stanie rosnąć poprzez dokładanie nowych materiałów. Będzie to wymagało opracowania lub wykorzystania nowych, elastycznych sensorów na bazie miękkich materiałów oraz sterowania rozproszonego i architektur robotycznych. Jednym z interesujących tematów do badań są struktury roślin, które wykorzystują zewnętrzną energię środowiskową do poruszania się lub stosowania efektywnych strategii ruchu. Inną ważną kwestią, jaką zamierzamy się zająć, jest sprawdzenie, czy rośliny wykazują inteligentne zachowanie. Prostą definicją inteligencji roślin mógłby być adaptacyjne zmienny wzrost i rozwój w okresie życia danego osobnika. Wykorzystanie adaptacyjnych zdolności roślin mogłoby zaowocować opracowaniem inteligentnych urządzeń - nie tylko zdolnych do wyczuwania, ale potrafiących także podążać za bodźcem i podejmować decyzje o wykonaniu wymaganych zadań. Zastosowania dla takich technologii inspirowanych roślinami obejmują monitorowanie i prowadzenie badań pod kątem zanieczyszczeń i złóż mineralnych - na Ziemi i innych planetach - ale także zastosowania medyczne i chirurgiczne, takie jak nowe, elastyczne endoskopy, zdolne do manewrowania i wrastania w delikatne organy człowieka.Więcej informacji: PLANTOID http://www.plantoidproject.eu/ Karta informacji o projekcie:
