Luonto on inspiraationa monille teknologioille. Torakoiden kynsiä ja liskojen mikroskooppisia ripsiä jäljittelevät robotit voivat kiivetä rakennusten seinille. Katsotaanpa biomimeettisten robottien maailmaa!
Suositun sarjan "Extreme Part-Time Jobs" jaksossa näyttelijä saa osa-aikatyön korkean rakennuksen ikkunoiden pesemiseksi. Näyttelijän korkeuden pelko ja huoli turvallisuudestaan näkyy hänen kasvoillaan, kun hän yrittää pestä ikkunoita gondolin turvasta, ja se saa katsojat hermostumaan. Eikö olisi hienoa, jos robotti voisi ottaa hoitaakseen niin vaikean tehtävän, jossa yksi virhe voi johtaa suureen onnettomuuteen?
Kun ajattelee robottia, joka puhdistaa pilvenpiirtäjän ikkunoita ihmiselle, on helppo kuvitella ihmisen muotoista robottia pitelemässä siivoustyökalua ja hankaamassa ahkerasti ikkunoita. Kuitenkin yksimielisyys on, että robotti, jonka runkoon on asennettu puhdistusmoduuli, joka voi kiivetä ylös ja alas rakennuksen seinillä, olisi tehokkaampi kuin ihmisen muotoinen robotti. Eläinten ja kasvien perusrakenteita, periaatteita ja mekanismeja jäljitteleviä robotteja kutsutaan biomimeettisiksi roboteiksi, jotta voidaan toteuttaa kyky kiivetä ylös ja alas rakennuksen seiniin.
Yksi tällainen robotti, joka on saavuttanut merkittäviä tuloksia seinien kiipeämisessä ylös ja alas, on Spinybot. Spinybot hyödyntää periaatetta, kuinka torakat kiipeävät seiniä ylös ja alas. Torakat käyttävät jalkojensa herkkiä karvoja koukkuina kiivetäkseen ylös ja alas seinillä. Seinät koostuvat pienistä, kuoppaisista pinnan mutkista, ja nämä mutkat voivat koskettaa torakan karvoja monista suunnista. Jos jokin näistä karvoista koskettaa mutkaa suuntaan, joka tukee särken painoa, karvassa on pieni voima, joka tukee särken painoa. Vaikka yhden karvan voima on pieni, useiden karvojen yhdistetty voima voi tuottaa tarpeeksi voimaa tukemaan särken painoa. Spinybotin jaloissa on myös pienet mutta lukuisat kynnet, jotka tukevat samaa periaatetta robotin painon kiipeämisessä seiniä ylös ja alas. Tämä menetelmä perustuu kuitenkin kynsien ja seinän välisen kosketuksen todennäköisyyteen, mikä tekee mahdottomaksi kiinnittää sileisiin seiniin, kuten lasiin.
Yksi robotti, joka on voittanut tämän rajoituksen, on Stickybot, joka on mallinnettu gekon jalan pohjarakenteen mukaan. Gekot pystyvät kävelemään katolla ja seinillä ilman liima-aineita, ja salaisuus piilee miljoonissa mikroskooppisissa karvoissa jalkapohjissa. Saatat ihmetellä, kuinka jokin, jossa on niin paljon pieniä karvoja jalkojen pohjassa, voi tarttua seiniin, mutta van der Waalsin voima tekee sen mahdolliseksi.
Van der Waalsin voimat ovat pieniä sähkövoimia, jotka vaikuttavat molekyylien välillä ja jotka aiheutuvat ei-polaarisen molekyylin sisällä olevien elektronien hetkellisestä taipumisesta. Kun ei-polaarisen molekyylin sisällä tapahtuu hetkellinen elektronien taipuma, elektronit suuntautuvalla puolella on (-)-napa ja puolella, jossa elektronit ovat suhteellisen vapaita, (+)-napa. Molekyyli, joka kokee tämän elektroniharhaisuuden, vaikuttaa myös naapureihinsa. (-)-napa työntää naapurimolekyylin sisällä olevat elektronit vastakkaiselle puolelle, jolloin se puoli, jossa elektronit ovat paenneet, muodostaa (+)-navan ja vastakkainen puoli, jossa elektronit ovat suhteellisen ryhmittyneet, (-)-napaksi. Tämä (-)-napa vaikuttaa sitten viereisiin molekyyleihin, ja ketjureaktio saa kaikki molekyylit polarisoitumaan välittömästi. Tämä hetkellinen polarisaatio luo sähköstaattisen vetovoiman molekyylien välille, jota kutsutaan van der Waalsin voimaksi. Yksittäisen värekärön synnyttämä van der Waalsin voima on hyvin pieni, mutta kun miljoonat mikroskooppiset värekarvot kasautuvat yhteen, voima riittää tukemaan liskon painoa. Jos sama ilmiö kuin gekon jalkapohjissa tapahtuisi ihmisen kämmenessä, voima olisi mitätön, ihmisen kämmen kestäisi noin 40 kilogramman painon. Stickybot käyttää myös uretaanityynyjä, joissa on mikroskooppinen hiusrakenne, kiinnittääkseen robotin seiniin van der Waalsin voimin. Koska se käyttää sähköisiä voimia fyysisen kosketuksen sijaan, se voi liikkua sileillä seinillä, kuten lasilla.
Gekon väreillä on van der Waalsin voimien lisäksi toinenkin erikoisuus: ne ovat suunnattuja. Näillä väreillä on ominaisuus, että ne tarttuvat hyvin yhteen suuntaan, mutta ne putoavat helposti, kun niitä levitetään vastakkaiseen suuntaan. Stickybotin mikroskooppiset karvat ovat myös suunnattuja, mikä tarkoittaa, että niillä on suuri tarttumisvoima alaspäin, missä robotin paino vaikuttaa, mutta niiden irrottaminen vastakkaiseen suuntaan ei vaadi paljon vaivaa.
Sekä torakoiden ominaisuuksia käyttävä Spinybot että gekon ominaisuuksia käyttävä Stickybot ovat hyviä esimerkkejä biomimeettisistä roboteista, jotka voivat kiivetä rakennusseinille, mutta molemmat menetelmät ovat edelleen aikaa vieviä. Tämän ongelman ratkaisemiseksi tutkijat tutkivat erilaisia lähestymistapoja kehittääkseen nopeampia ja tehokkaampia seinäkiipeilytekniikoita.
Maapallolla on miljoonia eläin- ja kasvilajeja, ja niillä kaikilla on omat tapansa sopeutua ympäristöönsä ja selviytyä. Esimerkiksi robotin pintaa voidaan parantaa jäljittelemällä hyvin veden alla uivan kalan suomusrakennetta tai uudenlainen kiinnitysjärjestelmä voidaan kehittää viittaamalla puihin kiipeävän apinan käsi- ja jalkarakenteeseen. Tällainen tutkimus mahdollistaa biomimeettisten robottien monipuolisemman ja innovatiivisemman kyvyn. Joillakin eläimillä ja kasveilla, joita ei ole vielä tutkittu, voi olla ratkaisuja rakennusseinien nopeaan kiipeämiseen. Mitä monipuolisempi kasvisto ja eläimistö, sitä enemmän mahdollisuuksia on biomimeettisille roboteille. Lisätutkimuksen ja teknologisen kehityksen myötä biomimeettisten robottien maailmasta tulee vain hämmästyttävämpi.
