Italiaanse technologieonderzoekers hebben onlangs een zachte robotarm ontwikkeld, geïnspireerd op octopussen. Door gedistribueerde detectie en controle in de "zuignap" te integreren, bereikt het lokaal "denken" en autonome grijpmogelijkheden, vergelijkbaar met de tentakels van de octopus. Het is ontworpen om te worden gebruikt voor het verkennen van complexe en onvoorspelbare zeebodemomgevingen.

Dit onderzoek werd geleid door een team van het Biomimetic Soft Robotics Laboratory van het Italian Institute of Technology (IIT). Ze lieten zich inspireren door de structuur van het zenuwstelsel van de octopus: hoewel de octopus slechts een relatief klein centraal brein heeft, is ongeveer 60% van zijn neuronen verdeeld over zijn acht tentakels. Elke arm kan ter plekke informatie verwerken en reflexacties uitlokken, zoals zelfstandig een prooi vangen zonder te wachten op instructies van de hersenen. Het onderzoeksteam probeert deze gedistribueerde architectuur te repliceren in een robotsysteem met behulp van siliconen en elektronische componenten, zodat perceptie en beweging nauw geïntegreerd zijn in het flexibele 'lichaam' zelf, in plaats van te vertrouwen op een enkele centrale processor.

Het resultaat is een zachte robotarm met een lengte van ongeveer 41 centimeter en een basisdiameter van ongeveer 4 centimeter. De vorm en structuur zijn vergelijkbaar met de tentakels van een octopus. Het is uitgerust met 10 kunstmatige "zuignappen" van de basis tot het einde, en de maat wordt geleidelijk kleiner. Het systeem is ontworpen om niet te vertrouwen op camera's, externe computers of gecentraliseerde besturingseenheden, maar decentraliseert in plaats daarvan alle kernperceptie en primaire besluitvormingsmogelijkheden in de zuignap. De onderzoeksresultaten zijn gepubliceerd in het tijdschrift Nature Machine Intelligence en IIT heeft ook inleidend materiaal voor het publiek vrijgegeven.

Elke kunstmatige zuignap integreert drie lichtgevende diodes en drie fototransistors om een ​​micro-optisch detectiesysteem te vormen, dat wordt gebruikt om veranderingen in gereflecteerd licht te meten, wat equivalent is aan de lokale zenuwknopen van deze "mechanische pols". Wanneer een vreemd voorwerp in contact komt met het oppervlak van de zuignap, vervormt het siliconenmateriaal en verandert het pad van het gereflecteerde licht dienovereenkomstig. Het systeem bepaalt of er contact plaatsvindt, de sterkte van het contact en de richting van inval, waardoor drie belangrijke detectiegegevens worden gevormd. Tests tonen aan dat de krachtgevoeligheid van het systeem ongeveer 400 millivolt per Newton bedraagt, en de krachtmeetfout ongeveer 0,1 Newton, wat ongeveer gelijk is aan het gewicht van verschillende paperclips; de maximale fout in richtingsherkenning is minder dan 18 graden, en de gemiddelde fout is ongeveer 8 graden, wat dicht bij de hoek tussen aangrenzende schalen van een klok ligt.

Wat de besturingsarchitectuur betreft, maakt deze zachte robotarm gebruik van twee besturingsniveaus: het eerste niveau wordt volledig lokaal uitgevoerd - elke zuignap heeft een onafhankelijk circuit en zal onmiddellijk adsorptie activeren zodra er contact wordt gedetecteerd, zonder te wachten op centrale instructies; het tweede niveau bevindt zich op een hoger niveau en is verantwoordelijk voor het ontvangen van gegevens die door alle zuignappen worden geüpload, het uitvoerig analyseren van de doelpositie en de contactkarakteristieken binnen een tijdsbestek van ongeveer 4 seconden, en het op basis hiervan bepalen van de algemene grijpstrategie, zoals het naar boven of beneden laten buigen van de robotarm, of roteren, en indien nodig de autonome acties van lokale zuignappen dekken. Het onderzoeksteam verklaarde dat deze oplossing, waarbij detectie en signaalverwerking rechtstreeks in de zuignap wordt geïntegreerd, de robotarm in staat stelt om in realtime en nauwkeurig op contact te reageren zonder gecentraliseerde controle, en een goede schaalbaarheid en robuustheid heeft, en kan werken in complexe omgevingen, waaronder onder water.

Alle experimenten worden momenteel onder water uitgevoerd. Tijdens de test kon deze robotarm tijdens beweging objecten zoals glazen flessen en glazen detecteren, gaf een schatting van het gewicht van het gegrepen object op ongeveer 72,5 gram, het werkelijke gewicht was 85 gram, en kon doelen onder verschillende hoeken manipuleren, waaronder een kunstmatige "zeester". In termen van draagvermogen kan de robotarm voorwerpen tot ongeveer 500 gram optillen, en de detectieprestaties blijven stabiel na 300 cycli van herhaald gebruik, wat een goede duurzaamheid aantoont. Omdat elke zuignap alleen verfijnde informatie zoals de contactrichting naar het bovenste bedieningsgedeelte stuurt in plaats van volledige ruwe gegevens, worden de bandbreedtevereisten van het hele systeem aanzienlijk verminderd, zodat het eenvoudig kan worden uitgebreid naar meer zuignappen of zelfs meerdere contactpolsen zonder de responssnelheid aanzienlijk op te offeren.

Het onderzoeksteam wees erop dat het ontwerp sterke modulaire kenmerken heeft en dat het aantal en de indeling van de zuignappen flexibel kunnen worden aangepast aan verschillende taken. Mogelijke toepassingsscenario's zijn onder meer inspectie van onderwaterinfrastructuur zoals onderzeese pijpleidingen, kabels en platforms, en het verzamelen van biologische monsters in smalle of complexe gebieden waar starre robots niet kunnen komen. Met zijn flexibele structuur en autonome besluitvormingsmogelijkheden zal deze ‘octopusachtige’ robotarm naar verwachting nieuwe technologische wegen bieden op gebieden als diepzeeonderzoek, oceaantechniek en onderwateronderhoud.

Octopussen zijn lange tijd een belangrijke inspiratiebron geweest voor bionische ontwerpen op het gebied van robotica. Al in 2017 demonstreerde het Duitse automatiseringsbedrijf Festo de OctopusGripper op de Hannover Messe. Dit is een siliconen polsgrijper, aangedreven door perslucht. Het maakt gebruik van twee rijen zuignappen om het doel te omwikkelen en de greep te voltooien wanneer het is opgeblazen, maar het is nog steeds sterk afhankelijk van externe luchtdrukcontrole en handmatige manipulatie. De afgelopen jaren hebben onderzoekers van de Universiteit van Bristol in Groot-Brittannië de situatie vanuit een andere dimensie benaderd, waarbij ze niet langer de vorm van de tentakels kopiëren, maar het slijm bestuderen dat wordt afgescheiden door de octopuszuiger. Ze hebben een nieuw type zuignap ontwikkeld, bestaande uit een meerlaagse zachte structuur en een bionisch vloeistofsysteem. Het kan de manier simuleren waarop het slijm van de octopus gaten op ruwe, gebogen oppervlakken afdicht, om zo onregelmatige voorwerpen zoals stenen en hout vast te pakken die moeilijk stevig vast te maken zijn aan traditionele zuignappen.

Een stap verder gaand hebben onderzoeksteams van de Universiteit van Peking, de Nationale Universiteit van Singapore, de Zhejiang Universiteit, het Beijing Institute of Technology en andere instellingen gezamenlijk het mechanische grijpsysteem OUT-Robot ontworpen om de grijpstrategie van koppotigen te simuleren, waardoor het snel kan schakelen tussen zachte en stijve toestanden om objecten met verschillende vormen, verschillende flexibiliteit en verschillende gewichten te sorteren en vast te pakken. Vergeleken met deze eerdere pogingen is het grootste kenmerk van het nieuwe ontwerp van IIT "autonomie": het kan niet alleen crawlen, maar kan ook beslissen hoe te crawlen. De onderzoekers benadrukten ook dat de geometrie van de objecten die in het huidige experiment zijn geselecteerd relatief eenvoudig is. De volgende stap omvat het testen met complexere en diversere vormen en gewichten, en het proberen om hersenachtige neuromorfe computers te introduceren om het hele systeem qua informatieverwerking dichter bij de neurale circuits van echte octopussen te brengen.