Clear Sky Science · pl
Bioniczny, robotyczny tułów o zmiennej sztywności porównywalnej z trąbą słonia dzięki tensegrity, przeznaczony do wspomagania codziennego życia
Dlaczego robotyczny „tułów” ma znaczenie w codziennym życiu
Wyobraź sobie dodatkowe ramię, które jest na tyle delikatne, by poda07 pilot do telewizora, nie przewracając szklanki, a jednocześnie na tyle silne, by podnie07 ci197cky karton z półki. W tym badaniu przedstawiono robotyczny „tułów” inspirowany trąbą słonia, który potrafi szybko przełączać się między stanem miękkim i giętkim a stanem sztywnym i mocnym. Zamontowany na wózku inwalidzkim i sterowany prostym interfejsem, został zaprojektowany, by pomagać osobom z ograniczoną mobilnością w wykonywaniu codziennych czynności w domu i przestrzeni publicznej.
Czerpiąc od nosa słonia
Trąby słoni to biologiczne wielonarzędzia: potrafią obra07 banana nie mia05c go rozgnieść, a także podnosić ładunki cięższe niż wiele osób. Osiągają to, ciągle dostosowując swoją sztywność — napinając grupy mięśni, gdy potrzebna jest siła, i rozluźniając je przy delikatnych ruchach. Inżynierowie od dawna próbują odtworzyć ten mechanizm, stosując wypełnione powietrzem struktury, mechanizmy blokujące lub specjalne materiały, które twardnieją i miękną pod wpływem temperatury. Wcześniejsze konstrukcje robotyczne zazwyczaj oferowały jednak tylko kilka stałych poziomów sztywności, wymagały masywnych pomp lub zmieniały stan zbyt wolno, by reagować w czasie rzeczywistym.
Elastyczny szkielet z lin i sprężyn
Naukowcy zbudowali nowy typ robotycznego tułowia używając szkieletu typu „tensegrity” — kratownicy sztywnych prętów połączonych siecią napiętych lin i sprężyn. Tułów, nieco poniżej metra długości i ważący około kilograma, podzielony jest na sekcje połączone sprytnie rozmieszczonymi sprężynami. Poprzez napinanie lub zwalnianie sześciu wewnętrznych linek za pomocą silników elektrycznych zespół może wyginać tułów w gładkie krzywe lub skracać i prostować go. Gdy konkretne linki są napięte, a inne rozluźnione, tułów staje się miękki i wężowaty, zdolny omijać przeszkody. Gdy wszystkie linki napinają się jednocześnie, struktura się kurczy, sprężyny rozciągają i magazynują energię sprężystą, a tułów staje się znacznie sztywniejszy.
Od delikatnego dotyku po ciężkie podnoszenie
Dzięki starannym eksperymentom i modelowaniu komputerowemu zespół wykazał, że ich tułów może zmienić swoją sztywność w zginaniu o ponad rząd wielkości — od bardzo giętkiego do bardzo sztywnego — i zrobić to w około sekundę. Pomiary wewnętrzne ujawniły, że niektóre sprężyny rozciągają się wielokrotnie względem długości początkowej podczas skurczu, co dramatycznie zwiększa zgromadzoną energię, a tym samym ogólną sztywność. W testach praktycznych tułów mógł omijać wąskie przestrzenie, aby dosięgnąć celu, a następnie utwardzić się, by precyzyjnie przebić balon małą igłą. Podnosił także przedmioty od kruchych jaj po ciężkie narzędzia i paczki napojów, utrzymując koniec na poziomie — wystarczyło zmienić siłę napięcia linek.
Reakcja w czasie rzeczywistym na otoczenie
Dzięki możliwości szybkiego i powtarzalnego przełączania sztywności robot może reagować na zmieniające się sytuacje. W jednym pokazie tułów trzymał jajko, gdy na niego upuszczono butelkę z wodą. Gdy tułów był miękki, łatwo się odkształcił i jajko pękło. Gdy system najpierw przełączył tułów w stan sztywny, ten sam uderzenie zostało pochłonięte bez uszkodzenia jajka. W innym teście tułów podtrzymywał butelkę napełnianą powoli wodą; wraz ze wzrostem ciężaru robot automatycznie się skrócił i usztywnił, aby utrzymać butelkę stabilnie i poziomo. Te przykłady pokazują, jak tułów o zmiennej sztywności może pełnić zarówno funkcję delikatnego manipulatora, jak i ochronnej struktury podczas niespodziewanych zderzeń.
Pomaganie ludziom w codziennym środowisku
Aby sprawdzić użyteczność w rzeczywistości, badacze zamontowali robotyczny tułów na elektrycznym wózku inwalidzkim i dodali kamerę, miękki chwytak oraz prosty panel sterowania. Użytkownik kieruje wózkiem jednym joystickiem i steruje tułowiem drugim, podczas gdy ekran pokazuje obraz z kamery. Dzięki gotowym ruchom i ręcznemu dopracowywaniu zarówno zdrowy ochotnik, jak i osoba po udarze korzystali z systemu, wykonując codzienne czynności: otwieranie szafek, odkładanie książek na wysokie półki, wkładanie prania do pralki, wyrzucanie śmieci oraz pobieranie jedzenia i napojów w sklepach i restauracjach. Przesuwając sterowanie zmieniające sztywność, użytkownicy mogli uczynić tułów miękkim przy pracy w ciasnych miejscach lub przy lekkich przedmiotach, a sztywnym przy noszeniu cięższych ładunków lub wymagając precyzyjnego umieszczenia.
Co to oznacza na przyszłość
Praca ta pokazuje, że robot oparty na linkach i sprężynach, inspirowany trąbą słonia, może dorównać zwierzęciu pod względem szerokiego zakresu sztywności i szybkiego przełączania, przy zachowaniu niewielkiej masy i kompaktowych rozmiarów, umożliwiających montaż na wózku. Umiejętność płynnego przejścia od delikatnego, zgodnego ruchu do mocnego, nośnego wsparcia czyni ten tułów szczególnie obiecującym dla technologii wspomagających, gdzie kluczowe są bezpieczeństwo i zdolność adaptacji. Choć trwałość w długim okresie i inteligentniejsze sensory wymagają dalszej poprawy, badanie wskazuje przyszłość, w której osoby z ograniczoną mobilnością mogą polegać na wysoce responsywnych robotycznych pomocnikach, by poszerzać swoje możliwości i niezależność w codziennym życiu.
Cytowanie: Zhang, J., Yang, C., Yang, H. et al. A bionic robotic trunk with tensegrity-enabled elephant-comparable stiffness variability for assisted daily living. Nat Commun 17, 3545 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-70380-9
Słowa kluczowe: miękka robotyka, technologie wspomagające, zmienna sztywność, tensegrity, robotyka dla wózków inwalidzkich