„Cyberchobotnica“ je obrovským krokom vpred v mäkkej robotike

Výskumný tím pod vedením Katedry mechanických vied a inžinierstva na Illinoiskej univerzite v Urbana-Champaign úspešne vytvoril počítačový model chápadla chobotnice, ktorý dokáže replikovať, ako sa tento osemramenný hlavonožec pohybuje, uchopuje a manipuluje s predmetmi.

„Všeobecnou motiváciou je zistiť, ako ovládať zložitý systém s mnohými stupňami voľnosti, a nájsť alternatívu k spusteniu drahých výpočtov,“ povedal docent Mattia Gazzola. „Chobotnica je zaujímavý živočíšny model, ktorý sa študuje od 80. rokov minulého storočia. Výskumníci chcú poznať 'tajomstvo' jej schopností.“

Hoci stále nepoznáme presné svalové mechanizmy, ktoré fungujú, táto štúdia je najdokonalejším modelom, aký bol kedy k videniu. Keďže chobotnica nemá centrálny mozog, ale „mini mozgy“ v každom chápadle, bolo pre vedcov náročné takýto pohyb zrekonštruovať. Rozlúsknutie tohto kódu by však mohlo zmeniť pravidlá hry a poskytnúť šablónu pre efektívnu, multifunkčnú autonómnu mäkkú robotiku.

Na základe predchádzajúcej práce tím v tejto štúdii pozoroval chobotnicu, ktorá sa dostala cez sieťovú bariéru, aby uchopila, manipulovala a premiestňovala rôzne predmety umiestnené na druhej strane deliacej steny nádrže. Kombináciou vizuálnych záznamov výskumníci analyzovali údaje z magnetickej rezonancie, histologické a biomechanické údaje, aby vytvorili model, ktorý zohľadňuje takmer 200 vzájomne prepojených svalov chápadla chobotnice na vytvorenie modelu.

„Bolo to takmer ako práca s malým dieťaťom,“ povedal Gazzola o ich modelovom objekte. „Musíte vedieť, ako sa k chobotnici priblížiť a udržať ju v napätí. Namiesto práce s tisíckami stupňov voľnosti sme prepojili dve topologické veličiny – zvíjanie a krútenie - s dynamikou svalov. Každú z týchto dvoch veličín riadia rôzne svalové skupiny, ktorých koaktivácia vedie k vzniku tretej topologickej veličiny, ktorá opisuje 3D morfologické zmeny ramena - teda jeho pohyb.“

Hoci sa to môže zdať jednoduché, je to vyvrcholenie pol desaťročia trvajúcej práce výskumníkov, ktorí sa snažili odhaliť tajomstvá mechaniky pohybu mäkkého tela chobotníc. A mohol by to byť Rosettská doska, ktorý inžinieri hľadali a ktorá by vytvorila plán na vývoj presnej a plynulej mäkkej robotiky, čiže niečoho, čo vedcom unikalo celé desaťročia.

Ďalej sa výskumníci snažia premeniť svoj výpočtový model na fyzický prototyp, ktorý bude využívať túto zložitú svalovú štruktúru na tréning autonómnych úloh.

„Naše teoretické chápanie je stále intuitívnym prístupom,“ povedal Gazzola. „Chceme vyvinúť automatizovaný rámec, aby sa náš model chobotnice mohol naučiť samostatne vykonávať úlohy.“

Hoci je chápadlo chobotnice uznávané ako jedna z najflexibilnejších končatín v živočíšnej ríši - čo je ešte pôsobivejšie vďaka tomu, že funguje bez kostrových štruktúr, ako sú kĺby -, toto zviera je notoricky známe tým, že sa ťažko skúma a stále nepoznáme presné fungovanie priečnych, pozdĺžnych a šikmých svalov, ktoré tvoria každé z jej ôsmich chápadiel.

Vďaka tomuto modelu, ktorý zjednodušuje princípy „mechanicky inteligentného“ dizajnu a riadenia, sa výskumníci domnievajú, že sa približujú k možnosti využiť prírodu na pokrok v tejto oblasti biotechnológií.

„Považujem za veľmi zaujímavé učiť sa od živých zvierat a pretaviť niektoré poznatky do nápadov pre dizajn mäkkých robotov,“ povedal Arman Tekinalp, prvý autor štúdie.

Výskum bol nedávno uverejnený v magazíne Proceedings of the National Academy of Sciences.