Naukowcy z estońskiego Uniwersytetu w Tartu i Włoskiego Instytutu Technologii w Genui, na łamach pisma „Advanced Science”, przedstawili nietypowego robota.

Nieduża maszyna przypominająca ćmę wykorzystuje sztuczny układ krążenia do transportowania substancji chemicznych wewnątrz swojego ciała i wytworzenia czujnika ultrafioletu w miejscu, na które pada promieniowanie UV.

Badacze zwracają uwagę, że dzisiaj roboty coraz częściej wysyłane są przeróżne w miejsca, których nie da się wcześniej dokładnie sprawdzić. Mowa np. o zawalonych budynkach, lasach, wodach oceanów, a nawet innych planetach. Wyposażenie tych urządzeń jest jednak ustalane na etapie produkcji, a więc każdy pokładowy czujnik musi zostać zamontowany zanim robot opuści laboratorium - tylko na podstawie przewidywań dotyczących przyszłych warunków pracy.

Aby usprawnić działanie takich robotów, obecnie stosuje się inteligentne, adaptacyjne algorytmy sterujące, ale mogą one działać tylko w ramach z góry ustalonej budowy robota.

Jak teraz teraz pokazali naukowcy, robot może wytwarzać niektóre elementy, w razie potrzeby.

Do zbudowania nowej części od podstaw potrzebne są przy tym dwie rzeczy – odpowiednie materiały oraz sposób ich dostarczenia we właściwe miejsce.

Natura radzi sobie z tym za pomocą układu krążenia – krew lub hemolimfa transportują potrzebne substancje po całym organizmie, zapewniając poszczególnym narządom dostęp do nich i umożliwiając w razie potrzeby usuwanie „zużytych” części.

„Pracuję nad wyposażeniem robotów w układ krążenia, który ma pozwolić im na transportowanie molekularnych materiałów budulcowych po całym ciele i wytwarzanie potrzebnych elementów wyposażenia bezpośrednio na miejscu, gdy będą potrzebne” – wyjaśnia Kadri-Ann Pankratov, doktorantka na Uniwersytecie w Tartu, główna autorka badania.

Ekspertka i jej współpracownicy jako wzór wykorzystali ćmę Catocala fraxini – jedną z największych ciem występujących w Estonii.

Otóż ćmy, podobnie jak inne owady, mają otwarty układ krążenia, tzn. pompujące naczynie wprawia w ruch hemolimfę – odpowiednik krwi u owadów – która częściowo przepływa określonymi kanałami, a częściowo swobodnie obmywa narządy wewnątrz zewnętrznego szkieletu. Taki układ ma stosunkowo prostą budowę, więc naukowcy mogli skupić się na składzie płynu, zamiast na optymalizacji jego przepływu. Nawet skrzydła owadów są żywymi strukturami wypełnionymi hemolimfą, a ich prawie płaski kształt umożliwia przepływ płynu w jednej płaszczyźnie, co dodatkowo upraszcza konstrukcję układu krążenia.

Jeżeli natomiast chodzi o ciało robota, to wytworzono je w technologii druku 3D, z przezroczystego tworzywa sztucznego (PETG). Jego układ krążenia działa w dwóch skalach – naczynia o szerokości rzędu milimetra transportują płyn przez skrzydła, z których każde ma powierzchnię 86 cm2, a przestrzenie między wydrukowanymi liniami tworzą gęstą sieć mikrokanalików, z których ciecz wnika w strukturę tworzywa na głębokość ok. 10 mikrometrów.

Jedna pompa rozprowadza po całym ciele robota ok. 3 mililitry płynu.

Aby wytworzyć w ciele robota nowy czujnik, naukowcy przepompowali przez jego naczynia sztuczną hemolimfę – mieszaninę pirolu, inicjatora reakcji aktywowanego światłem oraz dodatku na bazie celulozy. W miejscach, na które przez około minutę padało promieniowanie UV, pirol przekształcał się w polipirol – polimer przewodzący prąd elektryczny.

Powstawanie nowego elementu było nawet widoczne gołym okiem, ponieważ półprzezroczyste tworzywo zmieniało kolor na czarny. Jednocześnie pozostałe miejsca pozostawały niezmienione.

Dokładność w tworzeniu nowych czujników sięgnęła 0,3 mm. 

Sensor działa w takim sposób, że gdy pada na niego promieniowanie ultrafioletowe, jego opór elektryczny się zmniejsza. Niewielki mikrokontroler wykrywa tę zmianę oporu i powoduje, że robot porusza skrzydłami za pomocą drutu z pamięcią kształtu lub uruchamia miganie diody.

Badaczy zaskoczyło to, że czujnik nie zachowywał się jak typowy, skalibrowany fabrycznie element – z każdym kolejnym naświetlaniem stawał się coraz bardziej czuły. To wynik faktu, że pozostały w nim pirol nadal ulegał polimeryzacji.

Naukowcy opisują to zjawisko jako formę pamięci materiałowej – struktura sensora staje się zapisem doświadczeń robota.

Dalsze obserwacje pokazały, że czujniki działały jeszcze po ponad czterech miesiącach, kiedy nie były używane.

Zdaniem autorów badania pokazuje ono, że roboty mogą zyskać większą autonomię dzięki zdolności do wytwarzania nowych czujników w odpowiedzi na warunki otoczenia. Miejsce, czas powstania i czułość czujnika mogą zależeć od środowiska, a rodzaj reakcji robota – od substancji chemicznych rozprowadzanych przez jego sztuczny układ krążenia. Badacze uważają, że ich metodę można zastosować również z wykorzystaniem innych substancji chemicznych i innych bodźców niż promienie UV. 

Największe wyzwanie polega jednak na umożliwieniu robotom samodzielnego decydowania, jakie nowe elementy powinny wytworzyć. W tym obszarze badacze dopiero szukają inspiracji w naturze.

„Liczę na to, że za dziesięć lat sztuczna krew i układy krążenia robotów staną się oczywistym rozwiązaniem w niektórych zastosowaniach, a wykorzystanie różnych systemów materiałowych stanie się standardem najnowocześniejszych konstrukcji” – twierdzi Pankratov.

Marek Matacz (PAP)

mat/ zan/