Penetrujący jaskinie robot-wąż wzorowany na grzechotnikach rogatych

Jaskinie są położone na wschodnim wybrzeżu Egiptu i zawierały rozmontowane resztki łodzi, którymi posługiwali się Egipcjanie do żeglowania po Morzu Czerwonym. Odkryto je około dziesięć lat temu i niektóre stosunkowo łatwo zdradziły swoje tajemnice. Inne jednak są zbyt niebezpieczne i niestabilne, by ludzie mogli je zbadać.  

Wkracza tu Elizabeth. Wijący się robot, zbudowany przez Howie Choseta z Carnegie Mellon University i nazwany od imienia jego żony*, został zaprojektowany do penetrowania przestrzeni, których nie mogą zbadać ludzie. Elizabeth potrafi prześlizgiwać się po nierównym terenie, wciskać w wąskie szczeliny i manewrować wokół gruzów. Podczas testu terenowego w Egipcie znakomicie wykonywała zadania z jednym wyjątkiem: kiedy zespół próbował posyłać ją w górę po piaszczystym zboczu, ześlizgiwała się i zjeżdżała w dół.

Prawdziwe węże mają ten sam problem i wiele gatunków pustynnych rozwiązało go przy pomocy dziwacznej techniki zwanej sidewinding (poruszanie się boczne). Jest to bardzo sprzeczny z intuicją sposób poruszania się. Z góry wygląda to, jakby wąż poruszał się w bok piękną falą. Zostawia jednak za sobą proste ślady, każdy długości jego ciała.

Żeby zrozumieć tę technikę, trzeba zauważyć, że wąż nigdy nie pełznie. Zamiast tego nieustannie podnosi się z miejsca, na którym leży, i kładzie na nowym. Głowa przenosi się  pierwsza, a reszta ciała podąża za nią. Ale zanim reszta ciała dogania głowę, głowa już znowu przesuwa się. W każdym momencie wąż dotyka podłoża tylko dwiema krótkimi częściami ciała. To dlatego porusza się faliście, ale pozostawia proste ślady.

Poruszanie się boczne jest doskonałe do przemieszczania się po piaszczystych wydmach. Zamiast pchać się w górę po śliskim piasku walcowaty ruch węża oznacza, że cały czas ma statyczny kontakt z podłożem. Wiele gatunków węży potrafi to robić, ale naprawdę mistrzami w tej technice są tylko dwa – grzechotnik rogaty z USA i Meksyku oraz Bitis caudalis z Angoli i Namibii.

Robot Choseta, Elizabeth, potrafił poruszać się bocznie, ale nie robił tego zbyt dobrze. Brakowało czegoś, co robił jego rzeczywisty odpowiednik.

Aby odkryć tajemnicę tego przemieszczania się, Choset nawiązał współpracę z Danielem Goldmanem z Georgia Institute of Technology. Przez dziesięciolecia Goldmana fascynowało poruszanie się zwierząt po piasku. Badał małe żółwiki morskie, kiedy gramoliły się przez plażę i jaszczurkę scynka aptekarskiego, nazywanego rybą piaskową, ponieważ pływa w piasku. Jego zespół zbudował roboty, które naśladują te zwierzęta, ujawniając fizykę leżącą u podstaw ich ruchów. Ten facet zna piasek; ten facet zna roboty. A tak się szczęśliwie złożyło, że już zaczął badać poruszające się bocznie grzechotniki rogate.  

Zespół, kierowany przez dra Hamidrezę Marviego i studenta Chaohui Gong, pracował z sześcioma grzechotnikami z zoo w Atlancie. Wkładali węże na piaszczysty tor, który można było przechylać pod różnymi kątami. Przywozili nawet piasek z pustyni Yuma w Arizonie, żeby dać wężom materiał, jaki normalnie spotykają na wolności. „Są znakomitymi obiektami  badania – mówi Goldman. – Poruszają się bocznie na rozkaz. Włóż je do pojemnika i natychmiast ruszają”.

Początkowo zespół zakładał, że w miarę, jak tor będzie bardziej stromy, grzechotniki zareagują wbijając ciała mocniej w podłoże, tak jak my to robimy, kiedy wspinamy się na wydmę.  Nie robiły tego. Zamiast tego utrzymywały kontakt z podłożem większą częścią ciała, co dawało im lepsze oparcie na coraz bardziej zdradzieckich zboczach. Kiedy badacze podnosili tor do 20 stopni nachylenia, grzechotniki rekompensowały to, trzymając się dwukrotnie większą powierzchnią ciała.

Zespół przetestował także 13 innych gatunków grzechotników z zoo w Atlancie. Żaden z nich nie poruszał się bocznie w stanie naturalnym i żaden z nich nie potrafił podejść po takich zboczach, po jakich potrafiły wejść grzechotniki rogate. Próbowały wspinać się prosto do góry i nie udawało im się to. „To było całkiem zabawne – mówi Goldman. – Jednym z komentarzy, jakie dostaliśmy od recenzentów, było, że jest oczywiste to, co robią grzechotniki rogate. No cóż, nie było to oczywiste dla innych węży!”

Zespół zaprogramował następnie Elizabeth do naśladowania grzechotników i stwierdził, że nagle znacznie lepiej wspinała się na zbocza. Jej pokaz ujawnił, że węże muszą trzymać się pewnego zasięgu przerzucania części ciała, by utrzymać kontakt ciała z podłożem i że ten zasięg zmniejsza się, kiedy wzrasta stromizna. Jeśli nie położą wystarczająco dużo ciała, ześlizgują się. Jeśli położą zbyt dużo, nie mogą skutecznie podnieść reszty i pakują się w piasek przed sobą. W rezultacie kopią dziurę zamiast poruszać się do przodu.

Tak więc, bawiąc się robotem, zespół zrozumiał lepiej, co robią węże. A badając węże, ulepszyli robota. „Przy pomocy zrozumienia fundamentalnej inżynierii, rozwinęliśmy bardzo daleko te roboty, ale nie mogliśmy zmusić ich do wchodzenia po piaszczystym zboczu” – mówi Choset. Przezwyciężyli ostatnią przeszkodę dzięki badaniu przyrody.

Choset sądzi, że węże-roboty będą miały wielorakie zastosowania. Mogą szukać ludzi uwięzionych w zawalonych budynkach. Mogą penetrować niebezpieczne środowiska, takie jak obiekty magazynujące odpady jądrowe. I, oczywiście, mogą badać stanowiska archeologiczne. „Jeśli będziemy mieli okazję powrotu do Egiptu, możemy tego użyć. Archeologia jest jak poszukiwanie ludzi i ich ratowanie, tyle tylko, że wszyscy są już martwi od tysięcy lat, więc nie ma pośpiechu”.

* Choset powiedział mi, że był drugi wąż-robot o imieniu Howard, ale zgubił się gdzieś w zamieszaniu z bagażem na lotnisku. Samuel L. Jackson był nieosiągalny i nie mógł skomentować.

Źródło: Marvi, Gong, Gravish, Astley, Travers, Hatton, Mendelson, Choset, Hu & Goldman. 2014. Sidewinding with minimal slip: Snake and robot ascent of sandy slopes. Science http://dx.doi.org/10.1126/science.1255718

Więcej o robotach-zwierzętach:

• Adaptive Colour-Changing Sheet Inspired By Octopus Skin
• Robots in disguise: soft-bodied walking machine can camouflage itself
• Cockroaches and geckos disappear by swinging under ledges… and inspire robots
• How leaping lizards, dinosaurs and robots use their tails
• Swimming, walking salamander robot reconstructs invasion of land
• Robo-starfish learns about itself and adapts to injuries

Cave exploring snake-robot gets inspiration from sidewinders

Not Exactly Rocket Science, 9 października 2014