Chobotnica ako inšpirácia pre inovatívne technológie
Chobotnice sú fascinujúce stvorenia, ktoré dokážu jedným okamihom pevne uchopiť predmety a následne ich rýchlo uvoľniť, aj keď sú pod vodou alebo na nerovnom povrchu. Vedci z Virginia Tech sa v posledných rokoch sústredili na štúdium týchto schopností s cieľom vytvoriť novú technológiu uchopenia, ktorá by dokázala fungovať v náročných podmienkach pod vodou. Nedávno publikovali prelomovú štúdiu v časopise Advanced Science, v ktorej predstavili nový lepiaci systém inšpirovaný tvarom prísaviek chobotnice.
Inovácie v oblasti podvodného uchopenia
Hlavným cieľom výskumu bolo vytvoriť systém, ktorý by dokázal spoľahlivo a rýchlo uchopiť rôzne predmety pod vodou, pričom by napodobňoval schopnosti chobotnice. Výskumný tím pod vedením Michael Bartletta sa zameral na navrhnutie prísavkového systému, ktorý dokáže nielen uchopiť, ale aj okamžite uvoľniť predmety podľa potreby. Takáto technológia otvára nové možnosti pre výskum a manipuláciu v mokrých alebo podvodných prostrediach.
Podľa autorov štúdie existuje v prírode niekoľko príkladov, ako sa efektívne prichytiť k objektom vo vlhkých podmienkach. Napríklad mušle vylučujú lepiace proteíny, aby sa prichytili na mokré povrchy, zatiaľ čo žaby využívajú kapilárne a hydrodynamické sily cez svoje prsty. Avšak cephalopódy, ako sú chobotnice, majú jednu významnú výhodu – ich prísavky dokážu rýchlo zmeniť svoju priľnavosť a prispôsobiť sa rôznym povrchom.
Zdroj: Alex Parrish – Virginia Tech
Mechanizmus priľnavosti chobotníc
Z mechanického hľadiska sú prísavky chobotnice jedinečné tým, že využívajú tlakový systém pre priľnavosť. Široký vonkajší okraj prísavky vytvára tesnenie s predmetom cez tlakový rozdiel medzi komorou a okolitým prostredím. Svaly, ktoré fungujú ako aktuátory, sa stiahnu alebo uvoľnia, čím regulujú tlak v prísavke podľa potreby. Tento systém umožňuje chobotnici prichytiť sa k akémukoľvek povrchu, či už je hladký, drsný alebo nepravidelný.
Vedci sa snažili tento princíp napodobniť pri vývoji technológií mäkkých robotických rúk. Už v roku 2022 Bartlett a jeho tím predstavili koncept Octa-Glove, čo je nositeľný systém, ktorý napodobňuje chápadlo chobotnice. Táto rukavica umožňovala uchopenie podvodných objektov pomocou prísavkového systému ovládaného pneumatickým tlakom.
Prvá generácia: Octa-Glove
Octa-Glove bola navrhnutá so silikónovými stonkami zakončenými membránou, ktorá sa ovládala pneumaticky, a napodobňovala tak štruktúru chobotničných prísaviek. V každom prste rukavice boli integrované optické senzory LIDAR a mikro-ovládače, ktoré v reálnom čase detegovali objekty. Keď senzory zaznamenali prítomnosť objektu, aktivoval sa prísavkový systém, ktorý fungoval podobne ako nervový a svalový systém chobotnice.
Základom pre Octa-Glove bola neoprénová rukavica, do ktorej boli implementované flexibilné pneumatické trubice a senzorové prvky v každom prste. Tento dizajn umožnil uchopiť rôzne predmety pod vodou, pričom sa prísavky prispôsobovali tvaru a textúre povrchu objektov. Tím vedcov tak dosiahol pokrok v oblasti podvodného uchopenia, čo otvorilo nové možnosti pre aplikácie v oblastiach, ako je záchrana a výskum.
Zdroj: Alex Parrish – Virginia Tech
Nové vylepšenia v podvodnom uchopení
Posledný vývoj v oblasti výskumu tímu z Virginia Tech priniesol vylepšenia Octa-Glove. Vedci navrhli elastickú, zakrivenú silikónovú stopku s aktívnou deformovateľnou membránou, ktorá dokáže meniť tvar, aby lepšie priľnula k rôznym povrchom. Tento nový dizajn umožňuje prísavkám chobotnice uchopiť širšiu škálu objektov, čo je ideálne pre rôzne podmienky.
Adhezívne prvky nového systému dokážu prepínať medzi uchopením a uvoľnením v priebehu 30 milisekúnd. Tento mechanizmus je až tisíckrát silnejší pri aktivovanom uchopení ako v režime uvoľnenia, čo je výhodné pri manipulácii s väčšími bremenami. Tím testoval prísavky samostatne aj v rade piatich prvkov a zistil, že takýto systém lineárne zvyšuje silu uchopenia, pričom sila priľnavosti zostáva konštantná.
Praktické aplikácie technológie
Technológia inšpirovaná chobotnicami bola testovaná v rôznych aplikáciách. Tím vytvoril podvodný „cairn“ – hromadu kameňov rôznej veľkosti, tvaru a textúry, ktorá demonštrovala, ako efektívne dokáže systém manipulovať s objektmi podobne ako chobotnica vo svojom prirodzenom prostredí. Táto technológia by mohla byť kľúčová pre podvodné záchranné operácie a iné aplikácie, kde je potrebné spoľahlivo manipulovať s predmetmi pod vodou.
Okrem vytvárania štruktúr testovali vedci aj schopnosť prísaviek opakovane sa prichytiť k povrchom, pričom systém vydržal až 100 cyklov bez straty účinnosti. Dokonca dokázali pridržať kameň pod vodou viac ako sedem dní a následne ho uvoľniť na požiadanie, čo je veľmi užitočné pre podvodné operácie s náročnými podmienkami.
Budúcnosť výskumu a potenciál pre ďalšie inovácie
Výskum naznačuje, že kontaktová geometria je kľúčová pre úspešné prichytenie pod vodou. Vedci plánujú pokračovať vo vývoji syntetických podvodných prísaviek, ktoré by mohli ponúknuť nové architektúry stoniek a membrán. Experimentovanie s aktuačnými schémami a tvarom membrán môže ešte viac zdokonaliť kontrolu priľnavosti a otvoriť nové aplikácie pre túto technológiu.
V budúcnosti sa očakáva, že tento systém nájde využitie v rôznych oblastiach, ako sú záchranné misie, podvodná archeológia a presné manipulácie s jemnými objektmi. Schopnosť technológie adaptovať sa na rôzne prostredia a podmienky ponúka obrovský potenciál pre prieskum a rozvoj podvodných technológií.
