Lucia Beccai, ekspertka w dziedzinie robotyki miękkiej z Włoskiego Instytutu Technologii w Genui, wpadła na pewien pomysł podczas oglądania filmu dokumentalnego o słoniach. Była zdumiona wszechstronnością ich trąb, które potrafią delikatnie oderwać pojedynczy liść z drzewa, a następnie przesunąć ogromne kłody.
Tej wszechstronności brakowało dzisiejszym robotom. Ale co, gdyby naukowcy potrafili naśladować anatomię i działanie trąby słonia? Mogłoby to zrewolucjonizować sposób, w jaki roboty radzą sobie z przedmiotami, z zastosowaniami od pomocy w domu po poszukiwanie ocalałych w gruzach.
„Trąba słonia jest naprawdę atrakcyjna, ponieważ jest bardzo zręczna i wrażliwa” – powiedział Beccai. „To narząd zmysłu, który jest ogromny, bezkostny, ale niezwykle wszechstronny. Dziś jego osiągi są niezrównane w robotyce”.
Ta obserwacja stała się zalążkiem projektu PROBOSCIS, pięcioletniego projektu badawczego finansowanego przez Unię Europejską, w ramach którego biolodzy, inżynierowie i materiałoznawcy wspólnie pracowali nad odszyfrowaniem mechaniki trąby słonia.
Celem było wyjście poza dzisiejsze specjalistyczne chwytaki i stworzenie bardziej uniwersalnej robotycznej ręki – takiej, która będzie w stanie delikatnie chwycić winogrono lub mocno podnieść ciężki przedmiot, a także będzie w stanie dostosować się do szerokiej gamy kształtów i faktur bez konieczności większych zmian sprzętu.
Pnie: jedna ciągła struktura
Obecnie większość robotów ma sztywne ramię z ruchomymi stawami i chwytakiem na końcu – oddzielne elementy o wyraźnych ograniczeniach. Roboty te nie potrafią wykonywać tego, co Beccai nazywa „manipulacją całym ciałem”: owijania całego ramienia wokół obiektu w sposób ciągły i płynny, w przeciwieństwie do trąby słonia.
Trąba to to, co biolodzy nazywają mięśniowym hydrostatem, podobnie jak macka ośmiornicy czy ludzki język. Z ponad 100 000 pojedynczych mięśni i bez szkieletu, może się rozciągać, kurczyć, zginać i skręcać w dowolnym kierunku jednocześnie, bez rozróżnienia między ramieniem a chwytakiem – stanowi jedną, ciągłą strukturę.
Trąba jest również niezwykle wytrzymała i może udźwignąć ciężar o wadze prawie 300 kilogramów. Słonie afrykańskie mają nawet dwa małe, przypominające palce wypustki na końcu, służące do delikatniejszych zadań.
Proste ruchy, złożone rezultaty
Aby lepiej zrozumieć, jak działa pień, profesor Michel Milinkovitch, biolog ewolucyjny z Uniwersytetu Genewskiego, kierował zespołem, który zwrócił się w stronę technik filmowych.
Pasma odblaskowych znaczników – jak te używane w filmach kinowych – precyzyjnie śledziły ruchy trąb, gdy słonie manipulowały przedmiotami o różnych kształtach, rozmiarach i fakturach w południowoafrykańskim rezerwacie. Materiał filmowy został nakręcony kamerami szybkoobrotowymi, co pozwoliło uchwycić zaskakująco wydajny system.
„Zrozumieliśmy, że łączą niewielki zestaw zachowań” – powiedział Milinkovitch. „Skracają niektóre sekcje, wydłużają niektóre sekcje, zginają niektóre sekcje i łączą je, aby osiągnąć cel”.
"
Trąba słonia jest naprawdę atrakcyjna, ponieważ jest bardzo zręczna. […] Obecnie jej osiągi w robotyce nie mają sobie równych.
Milinkovitch uznał jeden ruch za szczególnie spektakularny. Kiedy słonie sięgały za głowy – często po smakołyk od opiekuna – nie tylko wyginały trąby do tyłu.
Zamiast tego wystawały i tymczasowo usztywniały górną część, tworząc dwa „pseudostawy”, które działały jak ramię i łokieć, podczas gdy dolna część odchylała się do tyłu, aby złapać smakołyk.
„To było absolutnie oszałamiające, bo nikt wcześniej tego nie widział. Robią to bardzo szybko” – powiedział Milinkovitch. To pokazało, że pień może tworzyć oddzielne sekcje oddzielone stawami.
Zespół przeprowadził również badania anatomiczne trąb jednego samca słonia afrykańskiego i jednego samca słonia azjatyckiego, pobranych od zmarłych zwierząt z zoo.
Mięśnie 3D
Aby przełożyć odkrycia Milinkovitcha na robotykę, zespół Beccaia skupił się na końcówce tułowia. Wykorzystali druk 3D, aby połączyć czujniki i sztuczne mięśnie, czyli siłowniki, w jedno spójne ciało. Te pneumatyczne, przypominające balon struktury rozciągają się i kurczą w miarę nadmuchiwania i spuszczania powietrza. Zmieniając ich rozmiar i geometrię, naukowcy mogą programować określone ruchy w systemie.
Aby stworzyć miękkiego robota przypominającego trąbę, naukowcy połączyli siłowniki pneumatyczne ze strukturą kratową przypominającą siatkę, która może odkształcać się w wielu kierunkach.
Urządzenie powstaje w jednym ciągłym procesie z tej samej miękkiej żywicy i zawiera czujniki optyczne, które zapewniają sprzężenie zwrotne w przypadku dotyku i zgięcia końcówki tułowia.
Kluczowy jest pojedynczy materiał, powiedział Beccai. „To naprawdę ważne, ponieważ eliminuje materiał i mechaniczne interfejsy między różnymi komponentami, co pozwala na zachowanie ciągłości ruchu w połączeniu z sensorycznym sprzężeniem zwrotnym”.
Prototyp może się wydłużać, ściskać i zginać, a także wykonywać ruchy takie jak szczypanie, nabieranie i sięganie. Ten projekt to krok w kierunku prawdziwie uniwersalnego chwytaka, zdolnego do chwytania wszystkiego, od miękkich, delikatnych przedmiotów po cięższe przedmioty o nieregularnych kształtach, za pomocą jednego, elastycznego systemu.
Projekt badawczy zakończył się w kwietniu 2025 r., a miękkie ramię robota, choć na razie pozostaje demonstracją laboratoryjną, zespół twierdzi, że udało mu się już pokonać większość problemów konstrukcyjnych, które hamują rozwój dzisiejszych ramion robotycznych.
Delikatna kontrola
Jednym z kluczowych spostrzeżeń słoni była kwestia kontroli. Trąba zawiera tysiące mięśni, ale słoń nie kontroluje ich wszystkich.
Zamiast tego, jak wyjaśnił Beccai, ich mózgi kontrolują niewielką liczbę synergii mięśniowych odkrytych przez zespół Milinkovitcha, skoordynowaną współpracę mięśni w celu wykonania ruchu. Resztą zajmuje się struktura fizyczna tułowia.
Pokazało to badaczom, w jaki sposób sprawić, by funkcjonalne, miękkie roboty nadawały się do użytku poza laboratorium: projektować przyszłe systemy wokół synergii, a nie pojedynczych siłowników.
"
Moim marzeniem jest zbudowanie systemu w służbie zdrowia, który będzie mógł pomóc np. osobie niepełnosprawnej lub starszej poprzez jej podniesienie.
Beccai ma nadzieję, że zmniejszy to złożoność i zapotrzebowanie na energię, umożliwiając zasilanie urządzeń bateryjnie i ułatwiając ich wdrażanie. Przewiduje szerokie praktyczne zastosowania, od zbioru owoców miękkich – głównego wyzwania współczesnej robotyki – po prace domowe, takie jak sortowanie prania czy obróbka delikatnych naczyń.
Takie roboty mają potencjał w zastosowaniach środowiskowych, od transportu gruzu i sortowania odpadów po pracę w delikatnych ekosystemach bez uszkadzania okolicznych roślin, gleby i życia morskiego. W akcjach poszukiwawczo-ratunkowych, miękkie ramię mogłoby przeciskać się przez gruz i wykorzystywać zmysł dotyku, aby pomóc w odnalezieniu ludzi..
Ale to robotyka wspomagająca jest tym, na czym Beccai najbardziej zależy. „Moim marzeniem jest zbudowanie systemu w służbie zdrowia, który mógłby pomóc na przykład osobie niepełnosprawnej lub starszej, podnosząc ją, a jednocześnie podając jej widelec lub świeży owoc” – powiedział Beccai.
Pojedynczy robot, wystarczająco silny, by pomagać w przenoszeniu rzeczy, a jednocześnie wystarczająco delikatny, by obsługiwać przedmioty codziennego użytku, mógłby umożliwić ludziom bardziej niezależne życie. A w przeciwieństwie do konwencjonalnej maszyny, jego miękkość sprawia, że nie musi budzić lęku.
Dla Beccai celem nigdy nie było tylko stworzenie lepszego chwytaka. Chodziło o robota, z którym przebywanie jest naturalne – silnego, gdy trzeba, i delikatnego, gdy jest to potrzebne.
Badania w tym artykule zostały sfinansowane ze środków unijnego programu Horyzont. Poglądy respondentów niekoniecznie odzwierciedlają poglądy Komisji Europejskiej. Jeśli spodobał Ci się ten artykuł, rozważ udostępnienie go w mediach społecznościowych.
