Naturen er inspirationen til mange teknologier. Robotter, der efterligner kakerlakkers kløer og firbens mikroskopiske cilia, kan klatre op på bygningers vægge. Lad os tage et kig på verden af biomimetiske robotter!
I et afsnit af det populære show "Ekstreme deltidsjob" får en skuespiller et deltidsjob med at vaske vinduer i en høj bygning. Skuespillerens frygt for højder og angst for sin sikkerhed er tydelig i hans ansigt, mens han forsøger at vaske vinduerne fra en gondols sikkerhed, og det gør seerne nervøse. Ville det ikke være fantastisk, hvis en robot kunne overtage så vanskelig en opgave, hvor én fejl kunne føre til en større ulykke?
Når du tænker på en robot, der renser vinduerne i en skyskraber for et menneske, er det let at forestille sig en menneskeformet robot, der holder et rengøringsværktøj og flittigt skrubber vinduerne. Der er dog konsensus om, at en robot med et rengøringsmodul monteret på en krop, der kan klatre op og ned af bygningsvægge, ville være mere effektiv end en menneskeformet robot. For at realisere evnen til at klatre op og ned af bygningsvægge kaldes robotter, der efterligner de grundlæggende strukturer, principper og mekanismer for dyr og planter, biomimetiske robotter.
En sådan robot, der har opnået bemærkelsesværdige resultater med at klatre op og ned af bygningsvægge, er Spinybot. Spinybot bruger princippet om, hvordan kakerlakker klatrer op og ned af vægge. Kakerlakker bruger de sarte hår på deres fødder som kroge til at klatre op og ned af vægge. Vægge er opbygget af små, ujævne bøjninger i overfladen, og disse bøjninger har potentiale til at røre ved kakerlakkens hår fra mange retninger. Hvis et af disse hår rører bøjningen i en retning, der understøtter skallens vægt, har håret en lille kraft, der understøtter skallens vægt. Mens kraften af et enkelt hår er lille, kan den kombinerede kraft af flere hår generere nok kraft til at understøtte roachens vægt. Spinybots fødder har også små, men talrige kløer, som bruger samme princip til at understøtte robottens vægt, når den klatrer op og ned af vægge. Denne metode er dog afhængig af sandsynligheden for klo-til-væg-kontakt, hvilket gør det umuligt at fastgøre til glatte vægge som glas.
En robot, der har overvundet denne begrænsning, er Stickybot, som er modelleret efter sålens struktur af en gekkos fod. Gekkoer er i stand til at gå på lofter og vægge uden behov for klæbende stoffer, og hemmeligheden ligger i de millioner af mikroskopiske hår på fodsålerne. Du undrer dig måske over, hvordan noget med så mange små hår i bunden af fødderne kan klæbe til vægge, men van der Waals-kraften gør det muligt.
Van der Waals-kræfter er små elektriske kræfter, der virker mellem molekyler og er forårsaget af den øjeblikkelige afbøjning af elektroner inde i et ikke-polært molekyle. Når der er en momentan elektronafbøjning inde i et ikke-polært molekyle, har den side, hvor elektronerne er orienteret, en (-) pol, og den side, hvor elektronerne er relativt frie, har en (+) pol. Molekylet, der oplever denne elektronbias, vil også påvirke dets naboer. (-) polen skubber elektronerne inde i nabomolekylet til den modsatte side, hvilket gør den side, hvor elektronerne er undsluppet, til en (+) pol og den modsatte side, hvor elektronerne er relativt klyngede, til en (-) pol. Denne (-) pol påvirker så nabomolekylerne, og kædereaktionen får alle molekyler til at blive øjeblikkeligt polariserede. Denne øjeblikkelige polarisering skaber en elektrostatisk tiltrækning mellem molekylerne, som kaldes van der Waals-kraften. Van der Waals-kraften genereret af en enkelt cilia er meget lille, men når millioner af mikroskopiske cilia klumper sig sammen, er kraften nok til at understøtte firbenets vægt. Hvis det samme fænomen, der opstår i en gekkos fødder, skulle opstå i håndfladen på en menneskelig hånd, ville kraften være ikke ubetydelig, med en menneskelig håndflade, der er i stand til at bære en vægt på omkring 40 kg. Stickybot bruger også urethanpuder med en mikroskopisk hårstruktur til at fastgøre robotten til vægge ved hjælp af van der Waals-kræfter. Fordi den bruger elektriske kræfter frem for fysisk kontakt, kan den bevæge sig på glatte vægge som glas.
Ud over van der Waals-kræfter har gekkoens cilia en anden ejendommelighed: de er retningsbestemte. Disse cilia har den egenskab, at de opnår stor vedhæftning, når de påføres i én retning, men falder let af, når de påføres i den modsatte retning. Stickybots mikroskopiske hår er også retningsbestemte, hvilket betyder, at de har en stor klæbekraft nedad, hvor robottens vægt virker, men det kræver ikke mange kræfter at trække dem af i den modsatte retning.
Både Spinybot, der bruger kakerlakkers egenskaber, og Stickybot, der bruger gekkoers egenskaber, er gode eksempler på biomimetiske robotter, der kan klatre op på bygningsvægge, men begge metoder er stadig tidskrævende. For at løse dette problem udforsker forskere forskellige tilgange til at udvikle hurtigere og mere effektive vægklatreteknikker.
Der er millioner af arter af dyr og planter på Jorden, og de har alle deres egne måder at tilpasse sig deres miljø og overleve. For eksempel kan overfladen af en robot forbedres ved at efterligne skalastrukturen af en fisk, der svømmer godt under vandet, eller en ny type fastgørelsessystem kan udvikles ved at referere til hånd- og fodstrukturen på en abe, der klatrer i træer. Sådan forskning vil gøre det muligt for biomimetiske robotter at have mere forskelligartede og innovative evner. Der kan være dyr og planter, som endnu ikke er undersøgt, og som har løsninger til hurtigt at klatre på byggevægge. Jo mere forskelligartet flora og fauna er, jo flere muligheder er der for biomimetiske robotter. Med yderligere forskning og teknologiske fremskridt vil verden af biomimetiske robotter kun blive mere fantastisk.
