Tkanki dla robota

Rzecz w tym, że palec jest częściowo żywy. Dosłownie. Mechaniczny napęd i syntetyczny szkielet przykrywa powłoka z komórek skóry – fibroblastów i keratynocytów oraz kolagenu. To jeszcze nie jest pełna skóra, nie potrafi też przetrwać długo poza specjalną pożywką. Jednak powłoka nie tylko przypomina żywy pierwowzór wyglądem, lecz potrafi się naprawiać po uszkodzeniach.

– Palec wygląda trochę, jakby był spocony, kiedy wyjmie się go z pożywki, w której został wyhodowany. A ponieważ jest napędzany przez silnik elektryczny, ciekawie jest słuchać odgłosów klikania napędu, patrząc na palec wyglądający jak prawdziwy. Jednak to dopiero pierwszy krok w kierunku tworzenia robotów pokrytych żywą skórą – mówi prof. Shoji Takeuchi, autor wynalazku. .

W kolejnych etapach naukowiec wraz z zespołem zamierzają poprawić działanie palca w naturalnych warunkach, poza pożywką, a także dodać różne złożone elementy, takie jak neurony czuciowe, mieszki włosowe, paznokcie i gruczoły potowe.

– Myślę, że żywa skóra jest ostatecznym rozwiązaniem, aby robotom nadać wygląd i odczucia przy dotykaniu – typowe dla żywych stworzeń – stwierdza prof. Takeuchi.

No i po raz kolejny na myśl może przyjść terminator T-800. Zanim jednak otoczą nas pokryte żywą tkanką, przypominające ludzi maszyny (oby nie zabójcy), prędzej mogą pojawić się ich uproszczone odpowiedniki – też pokryte skórą, tylko sztuczną. W ostatnim czasie różne zespoły naukowców prezentują swoje syntetyczne – naśladujące prawdziwą – skóry dla robotów.

Na przykład zupełnie niedawno badacze z Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST) pokazali zbudowaną z elastomerów syntetyczną „tkankę”, która ma dawać maszynom zmysł dotyku. Działa tak dokładnie, że dzięki niej roboty mają rozpoznawać nawet podmuch wiatru. Na zewnątrz powłoki znajduje się elastyczny polimer, pod nim hydrożel naśladujący naskórek. Materiał ten wchodzi w drgania po naciśnięciu. Właśnie na nie reagują umieszczone w sztucznej skórze czujniki. Przy lekkim klepnięciu zarejestrują one m.in. fale drgań rozchodzące się od miejsca, w którym klepnięcie nastąpiło. Przy łaskotaniu będą rejestrowały liczne, powstające w tym procesie fale. Zbierane w ten sposób informacje analizuje sztuczna inteligencja.

Ale dlaczego naukowcy mieliby się ograniczać tylko do naśladowania natury? Przecież po to jest technika, aby również tworzyć rzeczy, których w przyrodzie nie ma.

Z takiego założenia wyszli specjaliści z California Institute of Technology. Ich „skóra” dla robotów, oprócz tego że reaguje na nacisk i temperaturę, to wykrywa jeszcze różne, np. groźne substancje, z którymi wejdzie w kontakt.

– Współczesne roboty odgrywają coraz większą rolę w ochronie, rolnictwie i przemyśle. Czy możemy dać im zmysł dotyku i wykrywania temperatury? Możemy też sprawić, aby mogły wykrywać chemikalia, takie jak środki wybuchowe, gazy paraliżujące, albo zakaźne bakterie i wirusy? Nad tym właśnie pracujemy – mówi prof. Wei Gao, twórca wynalazku.

Aby to osiągnąć, badacze wykorzystują coraz popularniejszą technikę druku 3D. Najpierw nadrukowują w skórze przewody z nano-cząstek srebra, a potem tworzone w mikrometrowej skali sensory z różnych nano-materiałów.

– Jeśli chcemy wykrywać jedną, wybraną substancję – upewniamy się, że sensor silnie reaguje na nią elektrochemicznie. Grafen pokryty platyną szybko i selektywnie wykrywa materiały wybuchowe, takie jak TNT. Dla wirusów drukujemy węglowe nanorurki, które mają wyjątkowo dużą powierzchnię i dodajemy do nich odpowiednie przeciwciała. Metoda ta pozwala jednocześnie na masową produkcję i można ją łatwo skalować – dodaje prof. Wei Gao.

Badacze opracowali też związany ze skórą system sterowania robotami. Otóż po pierwsze maszyna reaguje na mocowane do skóry operatora elektrody, które wykrywają ruchy mięśni. Po drugie zbierane przez różne sensory w powłoce robota trafiają do elektrod na skórze człowieka. W ten sposób człowiek odbiera informacje w postaci słabego prądu. Jeśli np. syntetyczna dłoń zbyt mocno chwyciłaby jajko, operator odczuje delikatne mrowienie. W innej sytuacji mógłby na przykład poczuć stężenie niebezpiecznej znajduje się w badanym przez robota pomieszczeniu.

Pod skórą kryją się mięśnie. Mogą się one znaleźć także pod skórą robota i zastąpić ciężkie, toporne np. elektryczne silniki. Na razie z myślą głównie o zastosowaniach przemysłowych naukowcy z Uniwersytetu w Saarland stworzyli mięśnie zbudowane z ultracienkich włókien z niklu i tytanu. Ich działanie opiera się na tzw. pamięci kształtu.

– Jeśli przez te niklowo-tytanowe włókna przepuścimy prąd elektryczny, stop ten się nagrzewa, a jego struktura zmienia się tak, że włókna się skracają. Zwoje ultracienkich przewodów mają tak dużą powierzchnię, że ciepło sprawnie się potem rozchodzi, więc szybko zachodzi także proces ochładzania i wydłużania przewodów – wyjaśnia Paul Motzki, jeden z twórców mięśni. Mogą one więc się sprawnie kurczyć i rozluźniać, podobnie jak żywa tkanka mięśniowa.

Badacz zwraca przy tym uwagę, że  pomimo małej masy, włókna te mogą wytworzyć znaczącą siłę. Tak naprawdę, te obdarzone pamięcią kształtu przewody mają największą gęstość energetyczną ze wszystkich znanych mechanizmów.

Zalet jest więcej. Elektryczne mięśnie działają jednocześnie jako czujniki. Z przekazywanych przez nie sygnałów można określić położenie napędzanej nimi części robota. Dzięki temu, jak zapewniają naukowcy, maszyna taka działa nie tylko szybko i ma dużą siłę, ale także wysoką precyzję. Swój wynalazek naukowcy wykorzystali do zbudowania nowego rodzaju chwytaka, który w przeciwieństwie do typowych przemysłowych robotów, z łatwością radzi sobie z przenoszeniem przedmiotów o przeróżnych kształtach.

– Tego rodzaju adaptujący się system chwytaka i manipulatora może pomóc sprawić, aby linie produkcyjne stały się bardziej elastyczne, szczególnie, jeśli weźmie się pod uwagę to, że nasz system nie wymaga ciężkiej maszynerii, ani żadnych elektrycznych czy pneumatycznych napędów. Wszystko czego potrzebuje, to zasilanie – mówi kierujący zespołem prof. Seelecke.

Źródło: PAP – Nauka w Polsce, Marek Matacz