Publicat pe: 20 aprilie 2025 / Actualizat pe: 20 aprilie 2025 – Autor: Konrad Wolfenstein
Biomimetică în microrobotică cu RoboBee și alții: Cum tehnicile de aterizare a insectelor impulsionează robotica – Imagine creativă: Xpert.Digital
Inspirat de natură: Cum biomimetica împinge limitele roboticii
Mici ajutoare: Roboții insecte cuceresc agricultura, medicina și multe altele
Natura a dezvoltat soluții remarcabile la provocări complexe de-a lungul a milioane de ani. Tocmai această eficiență și eleganță a sistemelor naturale inspiră din ce în ce mai mult oamenii de știință în dezvoltarea tehnologiilor robotice avansate. În special în domeniul microroboticii, biomimetica inspirată de insecte a condus la descoperiri impresionante. Mai presus de toate, progresele recente în tehnicile de aterizare pentru microroboți, inspirate de insecte precum cocorul și albinele, demonstrează în mod impresionant cum natura poate servi drept model pentru soluții tehnice inovatoare.
Fundamentele biomimeticii în robotică
Biomimetica, cunoscută și sub denumirea de bionică, descrie transferul sistematic al mecanismelor și proceselor din natură în tehnologie. Această abordare interdisciplinară câștigă din ce în ce mai multă atenție în domenii precum știința materialelor, robotica, energia regenerabilă, medicina și tehnologia informației. În loc să copieze pur și simplu natura unu la unu, oamenii de știință își propun să înțeleagă principiile care stau la baza acesteia și să le adapteze pentru aplicații tehnice.
Inginerii s-au inspirat întotdeauna din natură, explică Hartmut Witte, șeful departamentului de Biomecatronică de la TU Ilmenau. Bionica servește ca metodă nu doar de promovare și sistematizare a acestei capacități de asociere, ci și de extindere a bazei pentru dezvoltarea produselor tehnice. Evoluția a produs organisme perfect adaptate mediului lor, iar aceste adaptări oferă modele valoroase pentru inovațiile tehnologice.
Când principiile biologice sunt aplicate tehnologiei, devine clar că adevărata bionică nu este recunoscută după caracteristicile externe, explică Witte. Nu este vorba doar de imitarea formei externe, ci de adaptarea principiilor funcționale care au fost perfecționate în natură.
Legat de asta:
Microroboți inspirați de insecte: Minuni tehnice în miniatură
Insectele, datorită dimensiunii, eficienței și abilităților remarcabile, servesc drept modele ideale pentru dezvoltarea microroboților. Caracteristicile lor de zbor extrem de dezvoltate, mecanismele de locomoție și adaptabilitatea au inspirat cercetătorii din întreaga lume să reproducă din punct de vedere tehnic aceste sisteme biologice.
RoboBee: microrobotul zburător de la Harvard
Unul dintre cele mai cunoscute exemple de robotică inspirată de insecte este RoboBee de la Universitatea Harvard. Acest robot zburător minuscul cântărește doar o zecime de gram și are o anvergură a aripilor de doar 3 centimetri. RoboBee este alcătuit din trei componente principale: un corp din fibră de carbon, aripi subțiri ca niște bile și un „creier” alcătuit dintr-o serie de senzori inteligenți.
Aripile sunt alimentate de actuatoare piezoelectrice – un tip de mușchi artificial care transformă energia electrică în mișcare. Această tehnologie permite microrobotului să zboare, să plutească și să efectueze manevre complexe precum o albină adevărată.
Alte exemple de microroboți inspirați de insecte
Inginerii de la Universitatea din California, Berkeley, au dezvoltat un robot zburător și mai mic, inspirat de insecte. Cu un diametru mai mic de 1 cm și o greutate de doar 21 mg, este cel mai mic robot wireless din lume capabil de zbor controlat. Spre deosebire de RoboBee, însă, acest robot folosește câmpuri magnetice externe pentru propulsie și control.
Cercetătorii în bionică de la Institutul de Tehnologie din Georgia au dezvoltat microroboți care imită comportamentul furnicilor. Acești roboți minusculi au doar 1,8 milimetri lățime, 0,8 milimetri grosime și cântăresc aproximativ 5 miligrame. Viziunea cercetătorilor: roiuri ale acestor insecte electronice ar putea prelua polenizarea plantelor din agricultură.
Provocarea aterizării în siguranță
Una dintre cele mai mari provocări pentru microroboții zburători este aterizarea în siguranță. Datorită dimensiunilor și greutății reduse, aceștia sunt deosebit de susceptibili la turbulențele și instabilitatea aerului, în special în apropierea solului.
Problema de aterizare a RoboBee
„Până acum, la aterizare, opream vehiculul deasupra solului, îl lăsam pur și simplu să cadă și ne rugam să aterizeze în poziție verticală și în siguranță”, explică Christian Chan, doctorand în echipa de cercetare de la Harvard. Această aterizare necontrolată reprezenta un risc semnificativ pentru actuatoarele piezoelectrice sensibile ale robotului și pentru aripile delicate, care puteau fi ușor deteriorate în caz de impact.
Problema a fost exacerbată de așa-numitul efect de sol – turbulența aerului cauzată de aripile care bat, ducând la instabilitate în timpul aterizării. Aceste provocări aerodinamice fac deosebit de dificilă aterizarea controlată a roboților zburători minusculi.
Soluție de aterizare inspirată de țânțari
Pentru a rezolva această problemă, oamenii de știință de la Universitatea Harvard au studiat musca cocorului, o insectă cu dimensiuni similare cu RoboBee. Musca cocorului este capabilă să efectueze aterizări elegante pe o mare varietate de suprafețe, datorită picioarelor sale lungi și flexibile care amortizează impactul.
Inspirată de acest model natural, echipa a dezvoltat un nou tren de aterizare pentru RoboBee: patru picioare lungi, articulate, similare cu cele ale musculiței cocorului. Aceste picioare sunt suficient de lungi și flexibile pentru a asigura că toate picioarele intră în contact sigur cu solul înainte ca corpul principal al robotului să fie afectat de turbulențele problematice ale aerului.
Pe lângă îmbunătățirile mecanice, oamenii de știință au adaptat și sistemul de control al zborului robotului, inspirându-se din comportamentul de aterizare al cocoșilor. Acestea accelerează dintr-o poziție de plutire, apoi decelerează spre ținta de aterizare și aterizează la o viteză de impact redusă. Energia de impact rămasă este apoi absorbită de trenul de aterizare mecanic.
Tehnici alternative de aterizare pentru microroboți
O altă tehnică de aterizare inspirată de insecte a fost dezvoltată de cercetătorii de la Universitatea Harvard pentru versiunile anterioare ale robotului RoboBee. În timp ce insectele reale folosesc adesea un fel de adeziv pentru a se lipi de suprafețele verticale, cercetătorii s-au bazat pe atracția electrostatică pentru a atașa robotul la un substrat. Această abordare necesită doar o cantitate mică de energie pentru a fixa robotul ușor la locul său.
O altă dezvoltare remarcabilă vine de la Universitatea de Aeronautică și Astronautică din Nanjing (NUAA), unde cercetătorii au creat un robot insectă care combină capacitățile de zbor și de cățărare. Acest robot poate ateriza pe un perete vertical, se poate cățăra de-a lungul lui și poate decola din nou - o capacitate pe care a demonstrat-o pe diverse materiale precum sticlă, lemn, marmură și chiar scoarță de copac.
Abordări biomimetice dincolo de tehnologia de aterizare
Natura îi inspiră pe roboticieni nu doar în dezvoltarea tehnicilor de aterizare, ci și în numeroase aspecte ale microroboticii. De la mecanismele de locomoție și sistemele de aderență la conceptele de propulsie – natura oferă un rezervor bogat de soluții.
Sisteme avansate de mișcare
O echipă de cercetare de la Universitatea Harvard a dezvoltat un robot micro-insect numit „Little Fury”, cu o „coadă” artificială inspirată de colembolismul. Acest robot poate sări impresionant 1,4 metri, ceea ce reprezintă de 23 de ori lungimea corpului său. Mecanismul de săritură se bazează pe „furcula” colembolismului, care funcționează ca un arc comprimat.
Cercetătorii din departamentul de Biomecatronică de la Universitatea Tehnică din Ilmenau au construit o mică omidă robotică echipată cu așa-numita „bandă adezivă pentru geci”. Acest material a fost inspirat de mecanismele adezive ale gecilor, păianjenilor și gândacilor, care pot merge pe suprafețe verticale și chiar pe tavane fără fluide adezive.
Navigație autonomă și comportamentul roiului
Un alt domeniu important al roboticii biomimetice este navigația autonomă. Oamenii de știință de la Universitatea Lund din Suedia au dezvoltat un concept pentru un nou sistem de orientare a dronelor, bazat pe comportamentul de evitare al insectelor. Observațiile au arătat că albinele folosesc intensitatea luminii pentru a naviga și a evita obstacolele.
Cercetătorii din Ungaria au transferat comportamentul de roire al insectelor la drone. Folosind un algoritm nou dezvoltat, până la nouă aeronave individuale pot zbura în formație și, astfel, pot naviga chiar și în medii complexe, cum ar fi orașele.
Legat de asta:
Potențialul de aplicare și perspectivele de viitor
Microroboții inspirați de insecte promit o gamă largă de aplicații în diverse domenii.
Agricultură și monitorizare a mediului
Una dintre cele mai fascinante aplicații potențiale este polenizarea artificială. Având în vedere declinul global al populațiilor de albine, roiurile de robo-albine ar putea într-o zi să ajute la polenizarea plantelor. În plus, acești microroboți ar putea fi utilizați în monitorizarea mediului pentru a colecta date despre condițiile de mediu inaccesibile dronelor mai mari.
Recunoaștere și ajutor în caz de dezastru
Datorită dimensiunilor lor reduse, microroboții inspirați de insecte ar putea fi utilizați pentru a explora spații închise, clădiri prăbușite sau alte medii complexe. În zonele dezastre, aceștia ar putea oferi informații valoroase fără a pune oamenii în pericol.
Aplicații medicale
Pe termen lung, roboții miniaturizați ar putea fi utilizați chiar și în domeniul medical. Roiuri de roboți minusculi ar putea efectua diagnostice sau chiar tratamente în interiorul corpului uman.
Limite actuale și evoluții viitoare
În ciuda progreselor impresionante, microroboții inspirați de insecte se confruntă încă cu provocări semnificative. În prezent, de exemplu, RoboBee este încă conectat la sisteme de control externe prin cabluri, ceea ce îi limitează mobilitatea. Cercetătorii lucrează la miniaturizarea senzorilor, a sistemelor de control și a sursei de alimentare, astfel încât acestea să poată fi integrate direct în robotul zburător.
Miniaturizarea acestor componente este considerată „triplul Sfânt Graal” al microroboticii și prezintă provocări tehnice enorme. Cu toate acestea, viziunea cercetătorilor este clară: roiuri complet autonome de microroboți capabili să îndeplinească sarcini complexe în medii diverse.
Natura ca inginer: Progrese în microrobotică
Biomimetica a revoluționat dezvoltarea microroboticii, permițând inginerilor să beneficieze de milioane de ani de optimizare evolutivă. Progresele recente în tehnicile de aterizare inspirate de insecte pentru microroboți precum RoboBee demonstrează impresionant potențialul acestei abordări.
Prin imitarea sistemelor naturale, cercetătorii nu numai că dezvoltă roboți mai eficienți și mai robuști, dar obțin și informații valoroase despre mecanismele biologice în sine. După cum explică Alyssa Hernandez, cercetător postdoctoral și coautoare a studiului RoboBee: „Putem folosi aceste platforme robotice ca instrumente pentru cercetarea biologică și putem realiza studii care testează ipoteze biomecanice.”
Viitorul roboticii biomimetice promite noi evoluții fascinante, pe măsură ce cercetătorii continuă să acceseze sursa inepuizabilă de inspirație a naturii pentru a depăși provocările tehnologice ale timpului nostru. Calea de la observarea fenomenelor naturale la implementarea lor tehnologică nu este întotdeauna ușoară, dar, așa cum demonstrează povestea de succes a lui RoboBee, aceasta poate duce la inovații revoluționare cu potențialul de a revoluționa numeroase domenii ale vieții noastre.
Legat de asta:
Partenerul dumneavoastră global de marketing și dezvoltare a afacerilor
☑️ Limba noastră de afaceri este engleza sau germana
☑️ NOU: Corespondență în limba ta maternă!
Konrad Wolfenstein
Eu și echipa mea suntem bucuroși să vă fim la dispoziție în calitate de consilier personal.
Mă puteți contacta completând formularul de contact de aici sau pur și simplu sunându-mă la +49 89 89 674 804 ( München) . Adresa mea de e-mail este: wolfenstein@xpert.digital
Aștept cu nerăbdare proiectul nostru comun.
