Daba ir daudzu tehnoloģiju iedvesmas avots. Roboti, kas atdarina prusaku nagus un ķirzaku mikroskopiskās skropstas, var kāpt pa ēku sienām. Ielūkosimies biomimētisko robotu pasaulē!
Populārā šova “Extreme Part-Time Jobs” epizodē aktieris saņem nepilnas slodzes darbu, mazgājot augstas ēkas logus. Aktiera bailes no augstuma un satraukums par savu drošību ir redzams viņa sejā, mēģinot mazgāt logus no gondolas drošības, un tas liek skatītājiem nervozēt. Vai nebūtu lieliski, ja robots varētu uzņemties tik sarežģītu uzdevumu, kur viena kļūda var izraisīt smagu avāriju?
Domājot par robotu, kas cilvēkam tīra debesskrāpja logus, ir viegli iedomāties cilvēka formas robotu, kurš tur rokās tīrīšanas rīku un cītīgi berž logus. Tomēr vienprātība ir tāda, ka robots ar tīrīšanas moduli, kas uzstādīts uz ķermeņa, kas var kāpt augšup un lejup pa ēkas sienām, būtu efektīvāks nekā cilvēka formas robots. Lai realizētu spēju kāpt augšā un lejā ēku sienās, robotus, kas atdarina dzīvnieku un augu pamatstruktūras, principus un mehānismus, sauc par biomimētiskiem robotiem.
Viens no šādiem robotiem, kas ir sasniedzis ievērojamus rezultātus, kāpjot augšā un lejā ēku sienās, ir Spinybot. Spinybot izmanto principu, kā tarakāni kāpj augšup un lejup pa sienām. Prusaki izmanto smalkos matiņus uz kājām kā āķus, lai rāptos augšup un lejup pa sienām. Sienas veido mazi, bedraini virsmas līkumi, un šie līkumi var pieskarties prusaku matiem no daudziem virzieniem. Ja kāds no šiem matiem pieskaras līkumam virzienā, kas atbalsta raudas svaru, matiem ir neliels spēks, kas atbalsta raudas svaru. Lai gan viena mata spēks ir mazs, vairāku matiņu kopējais spēks var radīt pietiekami daudz spēka, lai izturētu raudas svaru. Spinybot kājām ir arī mazi, bet daudzi nagi, kas izmanto to pašu principu, lai atbalstītu robota svaru, kad tas kāpj augšup un lejup pa sienām. Tomēr šī metode balstās uz spīles saskares ar sienu iespējamību, kas padara neiespējamu piestiprināšanu pie gludām sienām, piemēram, stikla.
Viens robots, kas ir pārvarējis šo ierobežojumu, ir Stickybot, kas ir veidots pēc gekona pēdas vienīgās struktūras. Gekoni spēj staigāt pa griestiem un sienām, neizmantojot līmvielas, un noslēpums slēpjas miljoniem mikroskopisku matiņu uz viņu pēdu zolēm. Jums varētu rasties jautājums, kā kaut kas, kam ir tik daudz sīku matiņu kāju apakšdaļā, var pielipt pie sienām, taču van der Vālsa spēks to padara iespējamu.
Van der Vālsa spēki ir mazi elektriski spēki, kas darbojas starp molekulām un ko izraisa īslaicīga elektronu novirze nepolārās molekulas iekšpusē. Ja nepolārās molekulas iekšpusē ir īslaicīga elektronu novirze, pusei, kurā elektroni ir orientēti, ir (-) pols, un pusei, kur elektroni ir relatīvi brīvi, ir (+) pols. Molekula, kas piedzīvo šo elektronu novirzi, ietekmēs arī tās kaimiņus. (-) pols nospiež elektronus blakus esošās molekulas iekšpusē uz pretējo pusi, padarot to pusi, kurā elektroni ir izkļuvuši par (+) polu, un pretējo pusi, kur elektroni ir relatīvi sagrupēti, par (-) polu. Pēc tam šis (-) pols ietekmē blakus esošās molekulas, un ķēdes reakcija izraisa visu molekulu tūlītēju polarizāciju. Šī momentānā polarizācija rada elektrostatisko pievilcību starp molekulām, ko sauc par van der Vālsa spēku. Van der Vālsa spēks, ko ģenerē viena skropstas, ir ļoti mazs, taču, kad miljoniem mikroskopisku skropstu saliek kopā, spēks ir pietiekams, lai noturētu ķirzakas svaru. Ja tāda pati parādība, kas notiek gekona pēdu zolēs, notiktu cilvēka plaukstā, spēks būtu nenozīmīgs, un cilvēka plauksta spētu izturēt aptuveni 40 kilogramu smagumu. Stickybot izmanto arī uretāna spilventiņus ar mikroskopisku matu struktūru, lai piestiprinātu robotu pie sienām, izmantojot van der Vālsa spēkus. Tā kā tas izmanto elektriskus spēkus, nevis fizisku kontaktu, tas var pārvietoties pa gludām sienām, piemēram, stiklu.
Papildus van der Vāla spēkiem gekona cilijām ir vēl viena īpatnība: tās ir virzītas. Šiem skropstiņiem ir īpašība iegūt lielisku adhēziju, ja tiek uzklāta vienā virzienā, bet viegli nokrist, ja tiek uzklāta pretējā virzienā. Stickybot mikroskopiskajiem matiņiem ir arī virziens, kas nozīmē, ka tiem ir liels saķeres spēks uz leju, kur iedarbojas robota svars, taču nav nepieciešams daudz pūļu, lai tos novilktu pretējā virzienā.
Gan Spinybot, kas izmanto tarakānu īpašības, gan Stickybot, kas izmanto gekonu īpašības, ir labi piemēri biomimētiskiem robotiem, kas var uzkāpt ēku sienās, taču abas metodes joprojām ir laikietilpīgas. Lai atrisinātu šo problēmu, pētnieki pēta dažādas pieejas, lai izstrādātu ātrākas un efektīvākas sienas kāpšanas metodes.
Uz Zemes ir miljoniem dzīvnieku un augu sugu, un tām visām ir savs veids, kā pielāgoties videi un izdzīvot. Piemēram, robota virsmu var uzlabot, atdarinot zivs zvīņa struktūru, kas labi peld zem ūdens, vai arī var izstrādāt jauna veida piestiprināšanas sistēmu, atsaucoties uz pērtiķa, kas kāpj kokos, roku un pēdu struktūru. Šādi pētījumi ļaus biomimētiskajiem robotiem iegūt daudzveidīgākas un novatoriskākas iespējas. Var būt vēl neizpētīti dzīvnieki un augi, kuriem ir risinājumi, kā ātri uzkāpt ēku sienās. Jo daudzveidīgāka ir flora un fauna, jo vairāk iespēju ir biomimētiskiem robotiem. Ar turpmākiem pētījumiem un tehnoloģiskiem sasniegumiem biomimētisko robotu pasaule kļūs tikai pārsteidzošāka.
