Robot też pochodzi od małpy. Bo po co wymyślać koło od nowa

Wąsy szczura, ogon jaszczurki, skrzydła motyla. I meduza. Naukowcy podglądają naturę, by roboty zaczęły widzieć i czuć. Po to, by bez szkody dla pacjenta podróżować we wnętrzu ludzkiego ciała. Albo by usprawnić turbiny wiatrowe, łódź podwodną czy sieć WiFi

Cyberplasm to właściwie żywy organizm. Z systemem nerwowym, oczami i nosem. I mięśniami napędzanymi glukozą. Wiele cech dziedziczy po minogach morskich - atlantyckich rybach z prostym układem nerwowym.
Nad Cyberplasmem właśnie pochyla się amerykańsko-brytyjski zespół naukowców. Prototyp będzie gotowy za pięć lat. Prototyp, bo Cyberplasm to mały robot. Badacze sięgnęli po minogi, bo chcą stworzyć urządzenia, które tak jak żywe organizmy reagują na światło, sygnały chemiczne i inne bodźce.

- Wciąż nic nie może dorównać naturalnym zdolnościom żywych stworzeń do oglądania lub obwąchiwania wszystkiego w swoim otoczeniu, czyli zbierania danych o tym, co się dookoła dzieje - mówi "Next" dr Daniel Frankel z Newcastle University.


W przyszłości jego elektronika ma reagować na zewnętrzne bodźce, tak jak od milionów lat reagują zwierzęta. Komputer pokładowy, naśladujący mózg prostych kręgowców, będzie wysyłał sygnały do sztucznych mięśni. W ten sposób urządzenie ma unikać wpakowywania się w kłopoty i - przede wszystkim - wyszukiwać substancje lub przedmioty, które zlecono mu odnaleźć.

Jaki z tego pożytek? Cyberplasm ma zostać założycielem rodu samobieżnych detektorów potrzebnych do badań środowiska i przeszukujących tereny niedostępne dla ludzi, np. skażone obszary po jakiejś katastrofie. Ba, na tym nie koniec. Cyberplasm ma mieć rozmiary poniżej centymetra. A później będzie jeszcze miniaturyzowany. Będzie więc mógł bez szkody dla pacjenta podróżować we wnętrzu ludzkiego ciała, pomagając w diagnozie różnych chorób. W tej chwili trwają prace nad poszczególnymi elementami urządzenia.

Ewolucja robotów

Bionika, biomimetyka, inżynieria bioniczna - to wiele nazw dla interdyscyplinarnej dziedziny badań, które mają na celu budowanie urządzeń naśladujących pod różnymi względami żywe organizmy. Innymi słowy, projektując nowoczesne technologie, człowiek próbuje dziś naśladować rozwiązania, które natura przetestowała już na wiele sposobów przez miliony lat.

Po co? Silniki elektryczne w robotach przemysłowych to dobre rozwiązanie. Ale samobieżne urządzenia, które mają wleźć w każdą dziurę, lepiej napędzać sztucznymi mięśniami. Kamera podłączona do komputera, który rozpoznaje otoczenie, to też nie jest technologiczna ślepa uliczka, ale inżynierowie bioniczni wolą zamiast tego proste detektory światła połączone z prostą siecią neuronową, dzięki czemu mają nadzieję "wyhodować" sztuczny narząd wzroku - taki, jakim posługujemy się sami.

Brytyjczycy od kilku lat pracują nad maszyną z wąsami. SCRATCHbot ma naśladować szczura. Inżynierów inspiruje zdolność szczura do orientacji w ciemnych, ciasnych zakamarkach dzięki sygnałom płynącym do mózgu ze sterczących wąsów. I chcą w te same umiejętności wyposażyć małe roboty zwiadowcze i ratunkowe, przydatne do przeczesywania ciemnych albo zadymionych pomieszczeń.

- Od bardzo dawna to wzrok był zmysłem najchętniej analizowanym przez naukowców. Tymczasem posługiwanie się dotykiem jest dziś kluczowym obszarem badań, które znajdą zastosowanie w robotyce - podkreśla dr Tony Pipe z Bristol Robotics Lab. - Szczurze wąsy mają szczególne zalety. U ludzi, którzy posługują się opuszkami palców, są one bardziej narażone na uszkodzenia i obrażenia niż wąsy u gryzoni. Szczury potrafią sobie świetnie radzić mimo uszkodzonych wąsów, a również u robota złamany wąs będzie można łatwo wymienić, bez strat dla całego urządzenia i jego kosztownego wnętrza.

Epokowy wynalazek koła? Same problemy

Brytyjski mechaniczny szczur jeździ na kółkach, jak na maszynę przystało. Ale roboty na kołach są bardzo zawodne w trudnym terenie. Oczywiście można udoskonalać napęd wzorem najlepszych pojazdów terenowych i samochodzików zabawek, które jeżdżą nawet po odwróceniu podwoziem do góry. Równowagę można uratować jednak dzięki zastosowaniu... ogona. Innymi słowy, tym razem podpatrujemy i podkradamy patenty jaszczurkom i dinozaurom. A konkretnie robią to naukowcy z Kalifornii. - Badanie pozwoli nam stworzyć znacznie zwinniejsze roboty poszukiwawcze i ratunkowe - cieszy się prof. Robert J. Full, biolog z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley. Jego wielodyscyplinarny zespół przyrodników i inżynierów badał między innymi zdumiewającą przyczepność łapek gekona i jego umiejętność do natychmiastowego odwrócenia się w trakcie upadku.


 Photo Credit Thomas Libby, Evan Chang-Siu and Pauline Jennings. Courtesy of PolyPEDAL Lab & CiBER/UC Berkeley

Teraz studenci i współpracownicy prof. Fulla rozpoczęli badania skoków jaszczurki (agamy czerwonogłowej). Poza analizą zdjęć wykonanych ultraszybką kamerą postanowili udowodnić przydatność ogonów na prostym modelu matematycznym. Model trafił nie tylko do pamięci komputera, znalazł efektowne zastosowanie w czterokołowym robocie, który inżynierowie z laboratorium Fulla wyposażyli w ogon. Wynik eksperymentów? Odpowiednie oprogramowanie korzystające z trików jaszczurek pozwala maszynie tak sterować ogonem, że nawet rzucona w powietrze nie traci właściwej orientacji i ląduje na czterech kołach. Ogon bardzo pomaga w poruszaniu się po różnych powierzchniach (także śliskich i zapiaszczonych) oraz stokach o dużym nachyleniu. Taka zwinność u robota może pozwolić na szybkie manewry w trudnym terenie, np. wśród gruzów po trzęsieniu ziemi. Zdaniem prof. Fulla będzie to szczególnie przydatne, gdy zechcemy, by maszyny sprawnie wykryły i oceniły rozmiary np. skażenia radiologicznego, chemicznego lub biologicznego na jakimś obszarze.

Japończycy  od lat udoskonalają swoje zrobotyzowane węże, które potrafią wpełznąć w gruzowisko z kamerą na podczerwień we łbie i odszukać ofiary trzęsienia ziemi. To jeden z wielu przykładów wysiłków współczesnej robotyki, by wreszcie pozbyć się kółek na dobre. A podczerwień, poniekąd przypadkiem, naśladuje zmysł, dzięki któremu grzechotnik bez trudu trafia w ciemności na małego cieplutkiego ssaka.


Do opanowania zostaje jeszcze problematyka, zdawałoby się, najbardziej oczywista: zbudowanie robotów czworonożnych i dwunożnych androidów, które zaczną chodzić i biegać jak trzeba. Amerykańska armia finansuje badania nad potężnym zrobotyzowanym psem, który ma przenosić sprzęt w trudnym terenie.

Maszyna radzi już sobie całkiem nieźle, a jej bliski kuzyn - robot gepard - potrafi osiągać na czterech łapach prędkość budzącą szacunek. Robot Cheetah - obecnie najszybszy robot naziemny na świecie - w marcu ustanowił rekord, biegnąc z prędkością 18 mil na godzinę.


Ławice maszyn

Równie duże pole do optymalizacji inżynierowie odkrywają pod wodą. Automaty pływające naśladują morskie stworzenia, bo silnik, śruba i stateczniki też przegrywają konkurencję z żywymi organizmami. Płazy inspirują inżynierów np. do tworzenia amfibijnych maszyn o kształcie salamandry, które potrafią poruszać się pod wodą i wyjść na brzeg. Inni, jak naukowcy z Teksasu i Wirginii, którzy zbudowali meduzę, skupiają się na wydajnym poruszaniu pod wodą. Meduza Robojelly nie ma silnika, tylko napęd odrzutowy działający dzięki skurczom sztucznych mięśni. Składa się z silikonowych dzwonów, które zwijają się jak parasolka. Dzieje się do dzięki skurczom specjalnych włókien - mięśni maszyny. Pierwotnie Robojelly działał na baterie. W tym roku naukowcy zrobili wersję, która sama się zasila.

Dzięki nanotechnologii zastosowanej w nowych mechanicznych mięśniach urządzenie wytwarza ciepło i napędza się bez użycia specjalnego paliwa czy zewnętrznego źródła zasilania. Może dzięki temu pływać w morzu bardzo długo, zbierając dane dla naukowców albo armii. Badania sfinansowały siły zbrojne, ale twórcy są pewni, że zadania zwiadowcze dla marynarki nie będą jedynymi wyzwaniami dla sztucznej meduzy. Robojelly przyda się też do wykrywania zanieczyszczeń w ekosystemach wodnych.

Analiza pulsacyjnych napędów odrzutowych - takich jak u meduzy albo kałamarnicy - doprowadziła też do odkrycia, że znacznie lepiej uruchamiać napęd gwałtownymi impulsami. Kałamarnica robi to dzięki skurczom mięśni płaszcza. Łodzie podwodne mogą dzięki temu oszczędzić wiele paliwa, a Robojelly - jak widać - pracuje "za darmo".

Skoro jesteśmy pod wodą, to co z rybami? Nowojorscy inżynierowie pracują nad ławicami podwodnych maszyn, a także robotami badawczymi, które wślizgną się do ławicy żywych ryb i będą miesiącami zbierać dane o ich zwyczajach, wożąc się z ławicą "na gapę" dzięki wytwarzanemu przez ryby podciśnieniu.

- Planujemy eksperymenty z wieloma robotami, które będą wchodzić w interakcje z ławicami, żeby zbadać, jak ryby podejmują decyzje. Chcemy opracować algorytm dla drużyny podwodnych robotów, które będą mogły wpływać na zachowanie takiej ławicy - mówi "Next" prof. Maurizio Porfiri z Polytechnic Institute of New York University. - Tymczasem staramy się na tyle ulepszyć nasz projekt, żeby robot mógł sprawnie poruszać się w trzech wymiarach i przez długi czas pracować samodzielnie. W końcu zaczniemy prowadzić nasze eksperymenty w naturalnym środowisku.

Jak wygląda praca w laboratorium bionicznym?

- Nasze laboratorium jest bardzo interdyscyplinarne z definicji. Przychodzą do nas studenci z różnych wydziałów i z różnymi zainteresowaniami - wyjaśnia nam prof. Porfiri. - Nasze urządzenie obejmują kanały z wodą do badań nad pływaniem, najeżone czujnikami akwaria do obserwowania zachowań ryb, warsztaty, w których budujemy roboty, sprzęt do mierzenia przepływu wody i sporo tradycyjnego sprzętu z zakresu mechaniki, chemii i elektroniki.

Tymczasem po drugiej stronie USA, również dzięki obserwacjom rybich ławic, naukowcy z Caltechu znaleźli zastosowanie bioniki daleko poza robotyką. Zorientowali się, że pionowe turbiny w farmach wiatrowych powinny się obracać w przeciwnym kierunku niż sąsiednie urządzenia. Optymalizacja działania elektrowni wiatrowej "po rybiemu" pozwala zwiększyć jej efektywność o rząd wielkości.

No i są jeszcze motyle. Cóż mogą mieć wspólnego z czujnikami RFID lub siecią wi-fi? Tym razem też nie chodzi o roboty. Naukowcy próbują za to rozgryźć, jak dochodzi do opalizacji na skrzydłach motyla. Światło na półprzezroczystych skrzydłach odbija się wielokrotnie, ulegając załamaniu, stąd te nieraz zachwycające i zmieniające się barwy i wzory. Naukowcy przekonują, że odkrycie tego sekretu pozwoli na kontrolę promieniowania elektromagnetycznego w paśmie UHF, może też zwiększyć wydajność sieci bezprzewodowych. I w końcu przyda się do tworzenia nowych zabezpieczeń przed fałszerzami (np. na dokumentach czy banknotach). Bo właśnie w takich mikrostrukturach, jakie istnieją na skrzydłach motyli, można zakodować np. podpis.

 

Twój robot krwawi? Zaraz mu przejdzie

Zwierzęta mają to do siebie, że się uczą. Sieci neuronowe (i programy, które naśladują ich zdolności do uczenia się) umożliwiają to samo maszynom. Uczące się samodzielnie roboty mają przewagę nad tymi tradycyjnymi, które trzeba było zaprogramować od A do Z.
Robot, który nauczył się chodzić, nauczy się też... kuleć. Po co ma kuleć? Jeśli straci jedną kończynę, będzie mógł zaadaptować się do nowej sytuacji, zamiast utknąć na dobre tam, gdzie doszło do awarii.

- Wiele robotów jest pracowicie zaprojektowanych przez ludzkich twórców. Udowadniamy, że cały zestaw instrukcji może powstać samoistnie w komputerze pokładowym. To czyni roboty zdolnymi do daleko idących adaptacji, bo można im dać zadanie bez szczegółowych instrukcji, jak je wykonać - wyjaśnia prof. Hod Lipson z amerykańskiego Cornell University.


To oznacza też nowy poziom rozwoju władz poznawczych u maszyn i rzuca nowe światło na stare filozoficzne pytanie o świadomość komputerów. Robotykom wciąż nie dość podobieństw z żywymi organizmami. Amerykanie chcą przyoblec maszyny w polimery nowej generacji. Tradycyjny plastik - tworzywo, które zawojowało XX wiek - po uszkodzeniu nadaje się tylko do wyrzucenia.

Tymczasem plastik XXI wieku... sam się goi. Żeby było wiadomo, że trzeba uruchomić proces samonaprawy, badacze z Missisipi proponują szczególny rodzaj sygnalizacji. Plastik wypuszcza czerwoną substancję sygnalizującą uszkodzenie i sam się naprawia pod wpływem światła, temperatury lub zmian pH. Zastosowania? Np. zarysowania na błotnikach samochodowych zbudowanych z takiego materiału będą mogły się same naprawić wystawione na intensywne światło.

Cóż, w końcu dojdzie do tego, że w bitwach przyszłości roboty bojowe będą w naszym imieniu przelewać krew. Dosłownie.