Ρομποτική και Βιολογία

Ρομποτική και Βιολογία Εργάστηκαν οι μαθητές: Αγριμανάκης Νικόλαος, Βουρδουμπάς Περικλής, Εφραιμίδου Ραφαέλα, Ζολλάνη Άνισα, Κανελάκης Γεώργιος-Μάριος, Κομνηνού Βαϊτσα, Κορνιζάκης Ξενοφών, Μαρινάκης Κωνσταντίνος, Νταουντάκης Εμμανουήλ, Ντιμίτροβα Γκρέτα, Παπαγιάννη Ανδρομάχη, Σολάνος Κωνσταντίνος, Στιούκης Ιωάννης, Στιούκης Ματθαίος, Σφακιωτάκης Ιωάννης, Τζολάκης Εμμανουήλ, Τριανταφυλλάκης Μιχαήλ, Χαμηλάκης Πέτρος Υπεύθυνοι καθηγητές: Τσιάρας Βασίλειος, Μαθηματικός Περάκη Πόπη, Βιολόγος Μάιος 2012 1

2

Περίληψη Ένα ρομπότ είναι μια μηχανική συσκευή, η οποία μπορεί να υποκαθιστά τον άνθρωπο σε διάφορες εργασίες, δύσκολες ή επικίνδυνες. Παρ όλη την πρόοδο που έχει επιτευχθεί, σε σχέση με τα έμβια όντα τα ρομπότ υστερούν δραματικά στην ικανότητα προσαρμογής σε νέες και απρόβλεπτες καταστάσεις. Για αυτό ένα μεγάλο μέρος της έρευνας στην ρομποτική, την επιστήμη που ασχολείται με την ανάπτυξη και την μελέτη των ρομπότ, επικεντρώνεται στην κατανόηση και αντιγραφή των ικανοτήτων των έμβιων όντων. Στην εργασία αυτή οι μαθητές ερεύνησαν την κίνηση ορισμένων ζώων, καθώς και την μίμησή της από ρομπότ που κινούνται σε αντίξοα περιβάλλοντα. Ακόμη μελέτησαν την σημασία των αισθήσεων στον σχεδιασμό της κίνησης και ασχολήθηκαν με μελλοντικές εφαρμογές της ρομποτικής, όπως π.χ., τα αυτόνομα αυτοκίνητα για τυφλούς. Ασκήσεις εξοικείωσης έγιναν με ρομπότ Lego Mindstorms, τα οποία έχουν σχεδιαστεί για εκπαιδευτικούς σκοπούς. 3

Περίληψη... 3 Εισαγωγή... 5 Αυτόνομα Οχήματα (google cars)... 6 Πώς Δουλεύει... 7 Κάμερες... 8 Αισθητήρας LIDAR... 8 Ραντάρ... 9 Σύστημα Εντοπισμού Θέσης... 10 Λογισμικό... 11 Υπέρ Κατά... 11 Βιομιμητική Ρομποτική... 12 Εφαρμογές... 12 Παραδείγματα Βιομιμητικών Ρομπότ... 13 Ρομπότ Κατσαρίδα... 13 Ρομπότ Αστακός... 13 Ρομπότ Εντομόπτερο... 14 Ρομπότ Γρύλος... 14 Το Ρομπότ Σκορπιός... 15 Ρομποτικά Φίδια... 15... 16 Ρομπότ Ποδοκυματοειδής Μετακίνησης... 17... 17 Το Ρομπότ Σαλαμάνδρα... 18 Κίνηση Σπονδυλωτών και Ασπόνδυλων... 18 Κολύμπι... 19 Ιδιόμορφη Κίνηση στο Νερό... 19 Πτήση... 20 Βάδισμα... 20 Κίνηση Φιδιών... 22 Ποδοκυματοειδής Μετακίνηση... 23 Έλεγχος της Κίνησης... 24 Τα ρομπότ της Lego... 28 Πρακτικές Εργασίες των Μαθητών... 29 Συζήτηση... 31 Ευχαριστίες... 31 Βιβλιογραφία... 31 4

Εισαγωγή Ένα ρομπότ είναι μια μηχανική συσκευή η οποία μπορεί να υποκαθιστά τον άνθρωπο σε διάφορες εργασίες, δύσκολες ή επικίνδυνες. Η λέξη ρομπότ προέρχεται από το σλαβικό robota που σημαίνει εργασία. Καθιερώθηκε ως όρος με την σημερινή του έννοια το 1920 από τον Τσέχο θεατρικό συγγραφέα Karel Čapek στο έργο του "R.U.R." (Rossum's Universal Robots), όπου σατιρίζει την εξάρτηση της κοινωνίας από τους μηχανικούς εργάτες (ρομπότ) της τεχνολογικής εξέλιξης, οι οποίοι τελικά εξοντώνουν τους δημιουργούς τους. Σε πολλές σύγχρονες σλαβικές γλώσσες (π.χ. την πολωνική) χρησιμοποιείται σαν έκφραση της καθημερινότητας με την έννοια της σκληρής δουλειάς (αντίστοιχο του χαμαλίκι). Με την ανάπτυξη και μελέτη των ρομπότ ασχολείται η ρομποτική, επιστήμη που αποτελεί συνδυασμό πολλών κλάδων άλλων επιστημών, κυρίως δε της πληροφορικής, της ηλεκτρονικής, της μηχανολογίας, των εφαρμοσμένων μαθηματικών, της βιολογίας, της ψυχολογίας και των νευροεπιστημών. Στις ταινίες επιστημονικής φαντασίας συνήθως συναντούμε ρομπότ τα οποία έχουν τη μορφή ανθρώπου. Αυτά τα ρομπότ καλούνται ανδροειδή ή ανθρωπόμορφα. Η εμφάνιση ενός ανθρωπόμορφου ρομπότ έχει σχεδιαστεί με βάση την εικόνα του ανθρώπινου σώματος έτσι, ώστε να μπορεί να αλληλεπιδρά με εργαλεία ή περιβάλλοντα σχεδιασμένα για ανθρώπους. Τα ανθρωπόμορφα ρομπότ χρησιμοποιούνται ως εργαλεία έρευνας σε διάφορους επιστημονικούς τομείς. Για να μπορέσουν να κατασκευάσουν ανθρωπόμορφα ρομπότ, οι ερευνητές πρέπει να κατανοήσουν την δομή και την συμπεριφορά (βιομηχανική) του ανθρώπινου σώματος. Αντίστροφα, η προσπάθεια αναπαράστασης του ανθρώπινου σώματος οδηγεί στην καλύτερη κατανόησή του. Επίσης, τα ανθρωπόμορφα ρομπότ χρησιμοποιούνται για τον έλεγχο θεωριών σχετικών με την ανθρώπινη νόηση και συμπεριφορά. Οι θεωρίες αυτές προέρχονται από το χώρο της ψυχολογίας και εξετάζουν τις αντιληπτικές και κινητικές δεξιότητες των ανθρώπων [1,16]. Εκτός από την έρευνα τα ανθρωπόμορφα ρομπότ χρησιμοποιούνται για την εκτέλεση καθηκόντων και υπηρεσιών, όπως η παροχή βοήθειας σε ηλικιωμένους και αρρώστους, ξενάγηση σε μουσεία, καθώς και για την εκτέλεση επικίνδυνων εργασιών σε μολυσμένα περιβάλλοντα. Ακόμη θα μπορούσαν να είναι χρήσιμα για τις μελλοντικές επικίνδυνες και μακρινές αποστολές εξερεύνησης του διαστήματος, αφού δεν υπάρχει η ανάγκη να επιστρέψουν πίσω στη Γη μετά την ολοκλήρωση της αποστολής τους. Στην Εικόνα 1(α) εμφανίζεται ο Asimo, το ρομπότ της Honda, στο ρόλο σερβιτόρου. Στην Εικόνα 1(β) το ρομπότ HRP-4C, του εθνικού ινστιτούτου προηγμένων βιομηχανικών επιστημών και τεχνολογίας της Ιαπωνίας, χορεύει και τραγουδάει. (α) Εικόνα 1 (β) 5

Τα τελευταία χρόνια, οι ερευνητές έστρεψαν το ενδιαφέρον τους στην κατανόηση της ιδιαίτερα εύρωστης και ευέλικτης προσαρμογής διαφόρων ειδών στο περιβάλλον τους, με σκοπό την κατασκευή ρομπότ που κολυμπούν, πετάνε, έρπουν, βαδίζουν κ.τ.λ. Ο έλεγχος της κίνησης συστημάτων με πολλές αρθρώσεις (με πολλούς βαθμούς ελευθερίας, όπως είναι ο τεχνικός όρος) σαν τους περισσότερους βιολογικούς οργανισμούς και τα ρομποτικά συστήματα που τους αναπαράγουν είναι ένα σημαντικό πρόβλημα. Οι βιολογικοί οργανισμοί το αντιμετώπισαν μέσω της εξελικτικής διαδικασίας, η οποία ανέπτυξε μια θαυμαστή πολυμορφία λύσεων προσαρμοσμένων στις ανάγκες κάθε οργανισμού, οι λεπτομέρειες των οποίων έρχονται στο φως από την έρευνα των νευροεπιστημών. Ιδιαίτερα σημαντικοί είναι οι μηχανισμοί συντονισμού των βαθμών ελευθερίας μέσω των λεγόμενων γεννητριών κεντρικού ρυθμού, που είναι μηχανισμοί πανταχού παρόντες στους έμβιους οργανισμούς και ελέγχουν τις ρυθμικές λειτουργίες τους [11,17]. Σκοπός της παρούσας εργασίας είναι να εισαγάγει τους μαθητές στον θαυμαστό κόσμο της ρομποτικής και ιδιαίτερα στις νέες τάσεις μίμησης της φύσης. Τρεις ομάδες μαθητών επικέντρωσαν το ενδιαφέρον τους τόσο στην κατανόηση της κίνησης διαφόρων ειδών, όσο και σε αντίστοιχα ρομποτικά συστήματα που υλοποιούν τις αντίστοιχες αρχές και συμπεράσματα της βιολογίας. Μία ομάδα μαθητών ασχολήθηκε με τις γεννήτριες κεντρικού ελέγχου και έγραψε ένα πρόγραμμα που αναπαράγει αυτούς τους ρυθμούς. Τέλος μια ομάδα μελέτησε τις εφαρμογές της ρομποτικής και τα αυτόνομα οχήματα με τα οποία πειραματίζεται η Google. Επειδή η ρομποτική είναι κυρίως τεχνολογική επιστήμη, όλοι οι μαθητές ασχολήθηκαν με την συναρμολόγηση και τον προγραμματισμό δύο εκπαιδευτικών ρομπότ της Lego. Το πρώτο είναι ένα ανθρωπόμορφο ρομπότ που περπατάει, μιλάει και αναγνωρίζει το χρώμα μιας μπάλας. Το δεύτερο είναι ένα όχημα που χρησιμοποιεί τον αισθητήρα φωτός για να ακολουθήσει μια μαύρη γραμμή πάνω σε ένα λευκό επίπεδο. Συγχρόνως χρησιμοποιεί τον αισθητήρα υπέρηχων για να αναγνωρίζει και να αποφεύγει τα εμπόδια. Αυτόνομα Οχήματα (google cars) Αυτοκίνητα χωρίς οδηγό; Ακούγεται κάπως φουτουριστικό αλλά δεν είναι. Η τεχνολογία των αυτόνομων αυτοκινήτων, αν και βρίσκεται ακόμα σε πειραματικό στάδιο, έχει κάνει μεγάλα βήματα τα τελευταία χρόνια και δεν είναι μακριά η μέρα που ο οποιοσδήποτε θα μπορεί να αγοράσει ένα τέτοιο αυτοκίνητο. Μάλιστα, αρκετές από τις τεχνολογίες που χρησιμοποιούν αυτά τα αυτοκίνητα βρίσκονται ήδη στα σημερινά μοντέλα, όπως το GPS ή το σύστημα ειδοποίησης αλλαγής λωρίδας. Αν και τα αυτόνομα αυτοκίνητα ακούγονται εντυπωσιακά και υπόσχονται να μειώσουν τα τροχαία ατυχήματα, το θέμα είναι κατά πόσον οι άνθρωποι θα δεχτούν αυτή την τεχνολογία. Στην αρχή θα υπάρχει σίγουρα διστακτικότητα αλλά σε μερικές δεκαετίες θα σκεφτόμαστε ότι κάποτε οδηγούσαμε μόνοι μας το αυτοκίνητό μας και εκθέταμε τον εαυτό μας σε κίνδυνο καθημερινά. Τα αυτόνομα οχήματα της Google συνδυάζουν την τεχνητή νοημοσύνη, το παγκόσμιο σύστημα εντοπισμού θέσης και πολλούς αισθητήρες που τους επιτρέπουν να πλοηγούνται στην κυκλοφοριακή κίνηση 1. Δεδηλωμένος σκοπός της Google είναι να μειώσει τα δυστυχήματα στους δρόμους - που οδηγούν στον θάνατο 1,2 εκατομμύρια ανθρώπους το χρόνο στις ΗΠΑ-, να εξοικονομήσει χρόνο για τους οδηγούς που ξοδεύουν 52 λεπτά στο τιμόνι κατά μέσο όρο στις ΗΠΑ καθώς επίσης, να μειωθεί το καυσαέριο, δεδομένου ότι τα αυτοκίνητα- 1 http://en.wikipedia.org/wiki/google_driverless_car 6

ρομπότ θα μπορούν να εκτελούν διαδρομές ως ταξί, με πολλαπλούς επιβάτες. Επίσης, λέγεται ότι θα μπορούσαν να αποτελέσουν σωφέρ ανθρώπων με προβλήματα στην όραση. Τα αυτοκίνητα της Google υπό δοκιμή είναι πάντοτε επανδρωμένα (Εικόνα 2). Πίσω από το τιμόνι, βρίσκεται πάντα ένας εκπαιδευμένος οδηγός ασφάλειας, που μπορεί εύκολα να ανακτήσει τον έλεγχο του οχήματος. Συνεπιβάτης του, ένας άνθρωπος εκπαιδευμένος στον χειρισμό του λογισμικού του οχήματος και την παρακολούθηση της καλής λειτουργίας του. Πριν από κάθε δοκιμαστική κούρσα, η Google στέλνει ένα συμβατικό όχημα για να καταγράψει την διαδρομή και τις συνθήκες που επικρατούν στον δρόμο. Έτσι, το ρομποτικό όχημα αξιοποιεί επιπρόσθετες πληροφορίες όπως οι διαχωριστικές λωρίδες και οι πινακίδες που θα συναντήσει στην διαδρομή. Παράλληλα, η τροχαία είναι ενημέρωση για την κυκλοφορία του δοκιμαστικού οχήματος χωρίς οδηγό. Για την κατασκευή του ρομποτικού οχήματος, η Google έφτιαξε μια ομάδα μηχανικών, με επικεφαλής Σεμπάστιαν Θράν (Sebastian Thrun). Ο Σεμπάστιαν Θράν είναι επίσης διευθυντής του εργαστηρίου τεχνητής νοημοσύνης του Στάνφορντ που δημιούργησε το ρομποτικό όχημα Stanley το οποίο κέρδισε το 2005 στο DARPA Grand Challenge 2 2 εκατομμύρια δολάρια από το αμερικανικό Υπουργείο Άμυνας (στο πλαίσιο έργων προηγμένης έρευνας που αφορούν στην άμυνα της χώρας). Εικόνα 2: Ένα Toyota Prius τροποποιημένο ώστε να λειτουργεί σαν αυτόνομο όχημα (χωρίς οδηγό). Πώς Δουλεύει Το σύστημα συνδυάζει πληροφορίες που συγκεντρώθηκαν από την Google Street View με λογισμικό τεχνητής νοημοσύνης που συνδυάζει στοιχεία από κάμερες στο εσωτερικό του αυτοκινήτου, έναν αισθητήρα LIDAR στην κορυφή του οχήματος, αισθητήρες ραντάρ στο μπροστινό μέρος του οχήματος και έναν αισθητήρα θέσης που συνδέεται με έναν από τους πίσω τροχούς και βοηθά στον εντοπισμό θέση του αυτοκινήτου στο χάρτη. Από το 2010, η Google έχει δοκιμάσει αρκετά οχήματα που είναι εξοπλισμένα με το σύστημα, και έχει πραγματοποιήσει 1.609 χιλιόμετρα οδήγησης χωρίς καμία ανθρώπινη παρέμβαση, εκτός από 225.308 χιλιόμετρα με περιστασιακή ανθρώπινη παρέμβαση. 2 http://en.wikipedia.org/wiki/darpa_grand_challenge 7

Κάμερες Η κάμερα είναι τοποθετημένη στο πίσω μέρος του εσωτερικού καθρέφτη και ο ρόλος της είναι να ανιχνεύει τα φανάρια (Εικόνα 3). Εικόνα 3: Φαίνονται οι κάμερες στο πίσω μέρος του καθρέπτη του οδηγού. Αισθητήρας LIDAR Ο αισθητήρας LIDAR (LIght Detection και And Ranging) 3 βασίζεται στην εκπομπή παλμικής ακτινοβολίας λέιζερ ή φωτός και ακολούθως, στην καταγραφή της οπισθοσκεδαζόμενης ακτινοβολίας. Το LIDAR (Εικόνα 4) μπορεί να μετρήσει την απόσταση, την μορφολογία ή άλλες ιδιότητες ενός στόχου και μπορεί να χρησιμοποιηθεί με ένα ευρύ φάσμα στόχων, συμπεριλαμβανομένων μη-μεταλλικών αντικειμένων, πετρών, βροχής, χημικών ενώσεων, αερολυμάτων, σύννεφων ή ακόμα και μεμονωμένων μορίων. Στην περίπτωση των αυτόνομων αυτοκινήτων της google το LIDAR χρησιμοποιεί ακτίνες λέιζερ και μπορεί να χαρτογραφεί τον τρισδιάστατο περιβάλλοντα χώρο με πολύ υψηλή ανάλυση (Εικόνα 5). (α) (β) (γ) Εικόνα 4: (α) Αισθητήρας LIDAR, (β) και (γ) παραγόμενες τρισδιάστατες απεικονίσεις 3 http://en.wikipedia.org/wiki/lidar 8

Εικόνα 5: Αναπαράσταση του κόσμου όπως τον αντιλαμβάνεται ένα αυτόνομο αυτοκίνητο της Google Ραντάρ Το όχημα είναι εξοπλισμένο με τέσσερα ραντάρ 4, δύο στους μπροστινούς και δύο στους πισινούς προφυλακτήρες τα οποία επιτρέπουν στο αυτοκίνητο να «βλέπει» αρκετά μακριά έτσι ώστε να μπορεί να αντιμετωπίσει την γρήγορη κυκλοφορία στους αυτοκινητόδρομους (Εικόνα 6). Εικόνα 6: Αισθητήρες σε ένα αυτόνομο όχημα της Google Το ραντάρ ή ραδιοεντοπιστής προέρχεται από τον Αγγλικό όρο RADAR (RΑdio Detection Αnd Ranging) και σημαίνει "ανίχνευση με ηλεκτρομαγνητικά κύματα και μέτρηση αποστάσεως" (Εικόνα 7). Αποτελεί ένα βασικό ηλεκτρονικό σύστημα ηλεκτρομαγνητικού εντοπισμού, παρακολούθησης ακίνητων και κινητών στόχων, σε αποστάσεις και συνθήκες φωτισμού απαγορευτικές για τον απευθείας οπτικό εντοπισμό, δηλαδή με το ανθρώπινο μάτι ή και οπτικά όργανα. Η μεγάλη αξία του 4 http://en.wikipedia.org/wiki/radar 9

ραντάρ οφείλεται στις σημαντικές δυνατότητες ανίχνευσης και παρακολούθησης στόχων σε μεγάλες αποστάσεις και με μεγάλη ακρίβεια. Εικόνα 7: Η αρχή λειτουργίας του ραντάρ βασίζεται στην εκπομπή και λήψη (επιστροφών) των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων μετά από ανάκλαση σε κάποιο αντικείμενο. Σύστημα Εντοπισμού Θέσης Το όχημα παρακολουθεί την θέση του με συνδυασμό μετρήσεων από ένα GPS, από μια αδρανειακή μονάδα μέτρησης και από ένα κωδικοποιητή των τροχών (Εικόνα 6). Το GPS (Global Positioning System) 5, Παγκόσμιο Σύστημα Θεσιθεσίας είναι ένα παγκόσμιο σύστημα εντοπισμού θέσης, το οποίο βασίζεται σε ένα "πλέγμα" εικοσιτεσσάρων δορυφόρων της Γης, στους οποίους υπάρχουν ειδικές συσκευές, οι οποίες ονομάζονται "δέκτες GPS". Οι δέκτες αυτοί παρέχουν ακριβείς πληροφορίες για τη θέση ενός σημείου, το υψόμετρό του, την ταχύτητα και την κατεύθυνση της κίνησης του. Επίσης, σε συνδυασμό με ειδικό λογισμικό χαρτογράφησης μπορούν να απεικονίσουν γραφικά τις πληροφορίες αυτές. (α) (β) Εικόνα 8: (α) Aναπαράσταση του αρχικού σχεδίου του συστήματος GPS, με 24 δορυφόρους GPS (4 δορυφόροι σε καθεμία από τις 6 τροχιές), (β) GPS συσκευή πλοήγησης Navigon, σε ταμπλό αυτοκινήτου Μια αδρανειακή μονάδα μέτρησης, ή IMU, είναι μια ηλεκτρονική συσκευή που μετρά και αναφέρει την ταχύτητα και τον προσανατολισμό ενός σκάφους καθώς και τις βαρυτικές δυνάμεις, χρησιμοποιώντας ένα συνδυασμό επιταχυνσιόμετρων, 5 http://el.wikipedia.org/wiki/global_positioning_system 10

γυροσκόπιων, και μερικές φορές μαγνητόμετρων. Οι πρόσφατες εξελίξεις επιτρέπουν την παραγωγή των συσκευών με δυνατότητα GPS IMU. Μια IMU επιτρέπει ένα GPS να λειτουργεί, όταν το GPS-δεν έχει διαθέσιμα σήματα, όπως σε σήραγγες, μέσα σε κτίρια, ή όταν υπάρχουν ηλεκτρονικές παρεμβολές. Ένας κωδικοποιητής των τροχών (Εικόνα 9) είναι μια ηλεκτρομηχανική συσκευή που μετατρέπει τη γωνιακή θέση ή κίνηση του άξονα ενός τροχού σε ένα αναλογικό ή ψηφιακό κωδικό. Χρησιμοποιείται για την μέτρηση της ακριβή ταχύτητας ή της απόστασης που έχει διανύσει ένας τροχός. Ανάλογα με τον τύπο του κωδικοποιητή που χρησιμοποιείται, μπορεί να είναι δυνατό να καθοριστεί η κατεύθυνση της κίνησης. Αυτές οι πληροφορίες είναι χρήσιμες για την ακριβή κίνηση ενός ρομπότ. Οι κωδικοποιητές των τροχών παρέχουν πληροφορίες οδομετρίας και χρησιμοποιούνται σε προβλήματα εντοπισμού της θέσης ενός ρομπότ. Εικόνα 9: Ένας κωδικοποιητής των τροχών Λογισμικό Το λογισμικό ενός αυτόνομου αυτοκινήτου είναι πολύ πολύπλοκο. Βασίζεται κυρίως σε δυναμικά Μπεϊσιανά δίκτυα (Εικόνα 10) και στην στατιστική θεωρία αποφάσεων [2,14,24]. Εικόνα 10: Αναπαράσταση ενός τμήματος ενός δυναμικού Μπεϊσιανού δικτύου. Οι μεταβλητές X, αντιστοιχούν στην θέση και την ταχύτητα του οχήματος. Οι μεταβλητές Z στις μετρήσεις, και οι μεταβλητές u στις αποφάσεις ελέγχου του λογισμικού. Υπέρ Κατά ΥΠΕΡ: 1. Μείωση της κατανάλωσης καυσίμων 2. Μείωση ατυχημάτων 3. Περιορισμός κίνησης στους δρόμους 11

4. Αυτοκίνητα για τυφλούς 5. Αυτοκίνητα που σε αφήνουν στη δουλειά και ψάχνουν μόνα τους θέση για παρκάρισμα. ΚΑTA: 1. Αύξηση της ανεργίας λόγω της αντικατάστασης των επαγγελματιών οδηγών από τα αυτόνομα αυτοκίνητα. 2. Μεγαλύτερο κόστος αγοράς-συντήρησης Βιομιμητική Ρομποτική Βιομιμητική ρομποτική είναι ο κλάδος της ρομποτικής ο οποίος ασχολείται με την μελέτη της μηχανικής συμπεριφοράς και του ελέγχου της κίνησης σύνθετων ρομποτικών συστημάτων, εμπνευσμένων από τη βιολογία [20,26]. Σχετικά παραδείγματα είναι ρομποτικά συστήματα που προσομοιάζουν την κυματοειδή μετακίνηση (undulatory locomotion) των ερπετών, συστήματα ενεργού αντίληψης (active perception) εμπνευσμένα από το ανθρώπινο οφθαλμοκινητικό σύστημα, ρομποτικά συστήματα εμπνευσμένα από το σύστημα ελέγχου της πτήσης ορισμένων εντόμων, που βασίζεται σε οπτική πληροφορία κίνησης (visual motion) [22]. Δηλαδή αυτά τα ρομποτικά συστήματα μιμούνται την κίνηση ερπετών, χρησιμοποιούν συστήματα αντίληψης που εμπνέονται από το ανθρώπινο σύστημα και ρομποτικά συστήματα που εμπνέονται από το σύστημα ελέγχου της πτήσης των εντόμων που βασίζεται στην οπτική αντίληψη της κίνησης. Η βιομιμητική ρομποτική βασίζεται σε μελέτες προερχόμενες από τις νευροεπιστήμες με σκοπό να αντιμετωπισθούν ζητήματα ρομποτικού ελέγχου και μοντελοποίησης βιολογικών συστημάτων ελέγχου κίνησης [12]. (α) Εικόνα 11: Δύο βιομιμητικά ρομπότ (β) Εφαρμογές Η βιομιμητική ρομποτική εφαρμόζεται σε περιπτώσεις που η παρουσία του ανθρώπου κρίνεται επικίνδυνη. Τέτοια παραδείγματα είναι: 1. Σε στρατιωτικές εφαρμογές: Χρησιμοποιούνται ως ναρκαλιευτές, για την αναγνώριση εδάφους, για κατασκοπία, αναγνώριση και εντοπισμό της θέσης του αντιπάλου αλλά ακόμα και για συμπλοκή σε μάχες. 2. Σε επικίνδυνες επεμβάσεις: Στις επεμβάσεις που απαιτείται ακρίβεια και λεπτομερής χειρισμός η παρουσία του χειρουργού κρίνεται επισφαλής. Για αυτόν το 12

λόγο χρησιμοποιούνται ρομπότ τα οποία είναι προγραμματισμένα από ειδικούς να κάνουν επεμβάσεις με περισσότερη ακρίβεια από το ανθρώπινο χέρι. 3. Για την ανίχνευση αγνοουμένων: Βιομημιτικά ρομπότ χρησιμοποιούνται για την ανίχνευση και διάσωση αγνοουμένων σε περιπτώσεις όπου η ανθρώπινη παρουσία κρίνεται επικίνδυνη. Όπως σε πυρκαγιές, πυρηνικές εκρήξεις, σεισμούς ακόμα και μετά από τσουνάμι. 4. Για την εξερεύνηση πλανητών: Σε απομακρυσμένους πλανήτες (π.χ. Άρης) όπου το ταξίδι είναι μεγάλης διάρκειας δεν γνωρίζουμε τις συνθήκες που επικρατούν και τα φαινόμενα που μπορεί να αντιμετωπίσει ένας αστροναύτης. Έτσι στέλνονται ρομπότ οι οποίοι εξερευνούν τον πλανήτη και παίρνουν δείγματα τα οποία τα στέλνουν στην Γη για ανάλυση. Παραδείγματα Βιομιμητικών Ρομπότ Ρομπότ Κατσαρίδα Το ρομπότ κατσαρίδα (Εικόνα 12) όπως φαίνεται άλλωστε από το όνομα του είναι εμπνευσμένο από τον μηχανισμό κίνησης του παραπάνω εντόμου. Πιο συγκεκριμένα το ρομπότ αυτό συνδυάζει την καταπληκτική ικανότητα της κατσαρίδας να κινείται με ταχύτητα και σταθερότητα σε ανώμαλο έδαφος αποφεύγοντας τους εχθρούς. Αυτό το καταφέρνει διότι διαθέτει ένα σύστημα παρόμοιο με αυτό του αυτοκινήτου που του δίνει την δυνατότητα να παραμείνει στην πορεία του. Το σημαντικότερο όμως είναι πως όλο αυτό το καταφέρνει με τη χρήση ενός κινητήρα σαν τον μηχανισμό του ρολογιού! Εικόνα 12: Το ρομπότ κατσαρίδα Ρομπότ Αστακός Το ρομπότ αστακός χρησιμοποιεί την οξεία οσφρητική αίσθηση του αστακού ο οποίος μπορεί να διακρίνει κάθε μυρωδιά στο δύσκολο περιβάλλον του ωκεανού. Έχει αυτονομία μέχρι και 5 ώρες υποβρύχιας χημικής παρακολούθησης. Μια εξέλιξη του μπορεί να ανιχνεύσει νάρκες στον πυθμένα του ωκεανού η ακόμα και κάτω από αυτόν και έπειτα προκαλεί την έκρηξη τους. 13

Εικόνα 13: Το ρομπότ αστακός Ρομπότ Εντομόπτερο Ο εντομόπτερος (Εικόνα 14) συνδυάζει την ικανότητα να πετάει και να ανιχνεύει. Μπορεί να εισέρθει σε ένα κτίριο από την καμινάδα η από ένα παράθυρο και να πετάξει με ταχύτητα ώστε να μην μπορούν να τον ανιχνεύσουν οι κάμερες ασφαλείας.έτσι η μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την αναγνώριση του αντίπαλου και την καταστροφή του ηλεκτρικού του εξοπλισμού. Εκτός από την επίγεια χρήση του μπορεί να χρησιμοποιηθεί και σε άλλα βαρυτικά πεδία καθώς το σύστημα πτήσης του δίνει την ικανότητα να έχει 7 φόρες περισσότερη ανύψωση και ταυτόχρονα να πετά με πολύ χαμηλές ταχύτητες (κατάλληλο για την εξερεύνηση του Άρη). Εικόνα 14: Το ρομπότ εντομόπτερο Ρομπότ Γρύλος Το ρομπότ αυτό (Εικόνα 15) έχει την δυνατότητα να τρέχει και να πηδάει. Όπως ο ομόλογος του χρησιμοποιεί τον ήχο για να ανιχνεύσει τον σύντροφό του έτσι και αυτό περιέχει μια συσκευή παρακολούθησης ήχου. Χρησιμοποιείται για έρευνα και διάσωση καθώς μπορεί να εντοπίσει όχι μόνο κραυγές για βοήθεια αλλά ακόμη και τον ήχο της αναπνοής. Εκτός αυτού τρέχει με ταχύτητα 10 μήκη σώματος ανά δευτερόλεπτο. 14

Εικόνα 15: Το ρομπότ Γρύλος Το Ρομπότ Σκορπιός Το ρομπότ αυτό (Εικόνα 16) χρησιμοποιείται σε αποστολές όπου είναι ανέφικτη η μη επιθυμητή η παρουσία του ανθρώπου. Αντί για κεντρί φέρει μια κάμερα ενώ εκτός από ταχύτητα και σταθερότητα έχει την δύναμη να σπρώξει μια πέτρα και να ξεπεράσει κάθε εμπόδιο. Εικόνα 16: Το ρομπότ σκορπιός Ρομποτικά Φίδια Τα ρομπότ φίδια εισήχθησαν στις αρχές της δεκαετίας του 1970 από τον Shigeo Hirose [9,10]. Αν και οι διάφοροι σχεδιασμοί ρομποτικών φιδιών ακολουθούν το κοινό θέμα της μίμησης της μετακίνησης του φιδιού, μπορούν να διαφέρουν πολύ στη φυσική σύνθεση και το σκοπό. Επιπλέον, μερικά ρομπότ χρησιμοποιούν ενεργά ελεγχόμενους τροχούς, οι οποίοι αποτελούν την κινητήρια δύναμη των συστημάτων αυτών, ενώ άλλα χρησιμοποιούν παθητικούς τροχούς ή καθόλου τροχούς. Υπάρχουν σχεδιασμοί ακόμα και για αμφίβια ρομπότ τα οποία είναι ικανά να κινηθούν αβίαστα τόσο στο εδάφους όσο και στο νερό [21]. Τα ρομπότ φίδια έχουν προταθεί για αποστολές που αφορούν τόσο θέματα εξερεύνησης (π.χ. έχουν χρησιμοποιηθεί σε αρχαιολογικές έρευνες στην ερυθρά θάλασσα) καθώς και διάσωσης (π.χ. κίνηση μέσα σε ερείπια για αναζήτηση επιζώντων [Εικόνα 17]), όσο και για στρατιωτικούς σκοπούς αναγνώρισης και παρακολούθησης στόχων. 15

Ερευνητές από το Carnegie Mellon University και συγκεκριμένα από το Ινστιτούτο ρομποτικής, κατασκεύασαν ένα φίδι -ρομπότ, το οποίο έχει εκπληκτικές ιδιότητες. Το συγκεκριμένο φίδι, μπορεί να κινηθεί προς οποιαδήποτε κατεύθυνση, εκμεταλλευόμενο το σχήμα του, και μπορεί να ανέβει ή να εισχωρήσει σε απίθανα σημεία όπως ένας αγωγός νερού, μια αποχέτευση, να τρυπώσει σε ερείπια ενός κτιρίου ψάχνοντας για επιζώντες, να κολυμπήσει μέσα στο νερό με μεγάλη ευκολία ή ακόμα και να επιθεωρήσει γέφυρες σε δυσπρόσιτα σημεία ούτως ώστε να επισημανθεί μια βλάβη ή πρόβλημα. Το φίδι-ρομπότ αποτελείται από τμήματα τα οποία είναι κατά τέτοιον τρόπο συνδεδεμένα ώστε να μπορούν να περιστρέφονται γύρω από τον άξονά τους (και όχι μόνο) ώστε να πετυχαίνουν τρόπους κίνησης οι οποίοι του δίνουν τις προαναφερθείσες ιδιότητες. Μια άλλη ενδιαφέρουσα εφαρμογή των ρομπότ - φίδια είναι στην Ιατρική. Στο όχι και τόσο μακρινό μέλλον, οι εγχειρήσεις ανοιχτής καρδιάς θα αντικατασταθούν με επεμβάσεις στις οποίες λεπτά οφιοειδή ρομπότ θα εισάγονται στον ασθενή από μια μικρή τομή και θα μετακινούνται μόνα τους μέχρι το προβληματικό σημείο. Στο Πανεπιστήμιο Carnegie Mellon του Πίτσμπουργκ, o Δρ Χάουι Τσόζετ τελειοποιεί σωληνοειδή, εύκαμπτα ρομπότ, με διάμετρο όσο ένα κέρμα, τα οποία χρησιμοποιούνται ήδη για επεμβάσεις στην καρδιά, τον προστάτη και άλλα όργανα. Τα «φιδομπότ» μπορούν να μεταφέρουν μικροκάμερες, ψαλίδια, λαβές και άλλα εργαλεία, ενώ στο μέλλον θα μπορούσαν να εξοπλιστούν με αισθητήρες που μετρούν βιοχημικές παραμέτρους ή ελέγχουν τη λειτουργία των νεύρων. Η νέα προσέγγιση θα προσέφερε οφέλη για όλους: οι γιατροί μπορούν να πραγματοποιούν πιο λεπτές κινήσεις, οι ασθενείς θα αναρρώνουν ταχύτερα και τα νοσοκομεία θα εξοικονομούν χρήματα από τη μειωμένη διάρκεια των επεμβάσεων και τα μειωμένα νοσήλια. Με ανάλογα «φιδομπότ» πειραματίζεται ο Μάικλ Αργκενζιάνο, επικεφαλής Καρδιοχειρουργικής Ενηλίκων στο Πρεσβυτεριανό Νοσοκομείο της Νέας Υόρκης και το Ιατρικό Κέντρο του Πανεπιστημίου Columbia, επίσης στη Νέα Υόρκη. «Είναι σαν να συρρικνώνεται ο χειρουργός και να καταφέρνει να φτάσει στην καρδιακή βαλβίδα» σχολίασε για τα πλεονεκτήματα της νέας προσέγγισης. Ο Αργκενζιάνο συμμετείχε σε κάποιες από τις πρώτες κλινικές δοκιμές χειρουργικών ρομπότ πριν από δέκα χρόνια. Τώρα, αναφέρει, τα φιδομπότ έχουν γίνει σύνηθες εργαλείο για πολλά μεγάλα νοσοκομεία. Ο ερευνητής πιστεύει ότι η τεχνολογία έχει ακόμα μεγάλο περιθώριο βελτίωσης. Τα σημερινά ρομπότ, εξηγεί, συνδέονται μέσω ενός καλωδίου με εξωτερικά συστήματα ελέγχου και παροχής ενέργειας. Στο μέλλον, όμως, θα μπορούσαν να γίνουν πιο αυτόνομα ώστε να ελίσσονται μέσα στο σώμα από μόνα τους. (α) (β) Εικόνα 17: Ένα ρομπότ φίδι σκαρφαλώνει σε ένα δένδρο. (β) Ένα ρομπότ φίδι αναζητεί επιζώντες. 16

Ρομπότ Ποδοκυματοειδής Μετακίνησης Για την διερεύνηση των προβλημάτων της ποδοκυματοειδής μετακίνησης το Εργαστήριο Μηχανικής Όρασης και Ρομποτικής του Ιδρύματος Τεχνολογίας και Έρευνας κατασκεύασε το ρομποτικό πρότυπο Νηρηίς-1 6 (Εικόνες 18 και 19) [27]. Η μορφολογία και η στρατηγική κίνησής του είναι εμπνευσμένες από τα αντίστοιχα χαρακτηριστικά των πολύχαιτων δακτυλιοσκωλήκων. Το ρομποτικό σύστημα συνδυάζει κυματοειδείς μεταβολές του σχήματος του αρθρωτού σώματός του με κινήσεις των πλευρικών του παραποδίων, για να κινηθεί σε στερεό ή μη υπόστρωμα (άμμο, λάσπη, χαλίκια, κλπ.). Το Νηρηϊς αποτελείται από 5 τμήματα. Από αυτά τα 4 είναι όμοια μεταξύ τους και ένα είναι λίγο μεγαλύτερο το οποίο είναι το κεφάλι. Το σύστημα έχει συνολικά 14 ελεύθερες κινήσεις που ελέγχονται ανεξάρτητα μέσο ειδικών κινητήρων παρέχοντας έτσι σημαντική ευελιξία για την πραγματοποίηση και μελέτη διαφορετικών κινήσεων. Στο κεφάλι υπάρχει ο κεντρικός μικροελεγκτής που ελέγχει τους κινητήρες και τα ηλεκτρονικά που απαιτούνται για την ασύρματη επικοινωνία με των εξωτερικό υπολογιστή μέσο του οποίου καθορίζονται οι κινήσεις. Εικόνα 18: Το ρομπότ Νηρηϊς-1 Εικόνα 19: Το μηχανικό μοντέλο του Νηρηϊς 6 http://www.ics.forth.gr/~tsakiris/ 17

Το Ρομπότ Σαλαμάνδρα Το τμήμα βιορομποτικής του Πανεπιστημίου EPFL με επικεφαλής τον καθηγητή Auke Ijspeert κατασκεύασε ένα αμφίβιο ρομπότ που μιμείται την ικανότητα της σαλαμάνδρας να κινείται τόσο στην ξηρά όσο και στο νερό [12,13] (Εικόνα 20). Χρησιμοποιώντας τη σαλαμάνδρα ως ένα μοντέλο, προσπάθησαν να απαντήσουν τρία βασικά ζητήματα που συνδέονται με την μετακίνηση των σπονδυλωτών: Συγκεκριμένα μελέτησαν (α) τις τροποποιήσεις των νευρικών κυκλώματα του νωτιαίου μυελού κατά τη διάρκεια της εξελικτικής μετάβασης από τον υδάτινο στο χερσαίο τρόπο μετακίνησης, (β) τους μηχανισμούς που απαιτούνται για το συντονισμό των άκρων και του σώματος, και (γ) τους μηχανισμών που διέπουν τις αλλαγές στον ρυθμό και τον τύπο του βαδίσματος που προκαλούνται από απλή ηλεκτρική διέγερση του εγκεφαλικού στελέχους. Η κίνηση του σώματος της σαλαμάνδρας είναι όμοια με τον πλευρικό κυματισμό των φιδιών και των ψαριών (Εικόνα 26). (α) (β) (γ) Εικόνα 20: (α) Το ρομπότ σαλαμάνδρα μπαίνει στη λίμνη της Γενεύης. (β) Το ρομπότ αρχίζει να κολυμπά κινώντας το σώμα του (γ) Μηχανισμοί μιας άρθρωσης και σύνδεση μεταξύ των αρθρώσεων Κίνηση Σπονδυλωτών και Ασπόνδυλων Στόχος των βιομιμητικών ρομποτικών συστημάτων είναι να προσεγγίσουν τη βιολογική πραγματικότητα όσο περισσότερο γίνεται. Γι αυτό συχνά ο σχεδιασμός επικεντρώνεται σε σχετικά απλούς οργανισμούς, τα χαρακτηριστικά των οποίων έχουν κατανοηθεί σε βάθος. Η κίνηση αποτελεί μια θεμελιώδη ικανότητα για τα ζώα και καθορίζει την μορφολογία και φυσιολογία τους. Είναι απαραίτητη για μια μεγάλη ποικιλία δράσεων, όπως η εύρεση τροφής, η αναζήτηση συντρόφου, η διαφυγή από τα αρπακτικά, κ.α. Η κίνηση των ζώων χαρακτηρίζεται από ρυθμική δραστηριότητα και την χρήση πολλαπλών βαθμών ελευθερίας (δηλαδή, πολλαπλές αρθρώσεις και μύες). Στα σπονδυλωτά, η κίνηση που παράγεται από το μυοσκελετικό σύστημα, στο οποίο ροπές δημιουργούνται από ανταγωνιστικούς μύες στις αρθρώσεις και μέσω των άκαμπτων οστών ασκούνται δυνάμεις στο περιβάλλον. Καθώς το ζώο ρυθμικά εξασκεί 18

δυνάμεις στο περιβάλλον (έδαφος, νερό, αέρα), δημιουργούνται δυνάμεις αντίδρασης που κινούν το σώμα προς τα εμπρός. Χαρακτηριστικοί τύποι κινήσεων είναι το μπουσούλημα, το βάδισμα, το τρέξιμο, το κολύμπι, το σύρσιμο των ερπετών και το πέταγμα των πουλιών. Κολύμπι Καθώς ένα ζώο κινείται σ ένα υγρό, δημιουργεί δίνες. Δηλαδή, κυκλικές ροές που δημιουργούνται από την ορμή της κίνησης του ζώου στο υγρό. Όταν ένα ψάρι για παράδειγμα κουνάει την ουρά του δημιουργεί μια σειρά από εναλλασόμενες δίνες (Εικόνα 21). Το σχήμα των δινών είναι κυκλικό και συνδέονται η με την άλλη. Επίσης ένα ζώο για να κολυμπήσει χρειάζεται να κρατάει την «ισορροπία» του έτσι ώστε να μην βγαίνει ούτε στην επιφάνεια ούτε να πάει στον πάτο γιατί εκεί η υδροδυναμική δύναμη που δέχεται είναι πολύ μεγαλύτερη [3]. Εικόνα 21 Ιδιόμορφη Κίνηση στο Νερό Αυτόν τον τρόπο κίνησης χρησιμοποιούν σχεδόν όλα τα καρκινοειδή. Χαρακτηριστικά παραδείγματα αυτής της ομάδας είναι όλα τα είδη αστακών και καβουριών (Εικόνα 22). Αυτά τα ζώα δεν κολυμπούν αν και ζουν μέσα στο νερό, αλλά χρησιμοποιούν τα πόδια τους για να περπατήσουν πάνω στον βυθό της θάλασσας. Για να το καταφέρουν όμως αυτό εκτός από τα πόδια τους, τα καρκινοειδή χρησιμοποιούν την κοιλιά τους και τα νύχια τους έτσι ώστε να κρατήσουν την ισορροπία τους σε βραχώδης, άνισες και πολλές φορές δύσβατες επιφάνειες. Άλλη μια ιδιομορφία των καρκινοειδών είναι ότι περπατούν με πλάγια βήματα ( αν και ο αστακός κάνει και βήματα και προς τα πίσω ) και ότι δεν έχουν συνδέσμους στα πόδια τους. Τέλος αυτά τα ζώα έχουν τους μύες τους κολλημένους στο κέλυφος τους. Έτσι όταν κινούν τους μύες τους κινούν ολόκληρο το σώμα τους. 19

Εικόνα 22 Πτήση Η πτήση έχει μεγάλες ομοιότητες με το κολύμπι. Οι κινήσεις για την πραγματοποίηση της κίνησης είναι σχεδόν οι ίδιες. Παρόλα αυτά όμως η πτήση λόγω της μικρής πυκνότητας του αέρα είναι ενεργειακά πιο αποδοτική σε σχέση με το κολύμπι στο οποίο έχουμε την παρουσία της αντίστασης του νερού. Επίσης όσον αφορά την πτήση, τα πούλια που έχουν μεγάλη μάζα πετάνε πιο εύκολα γιατί δεν χρειάζεται να κάνουν πολλές κινήσεις και έτσι δεν κουράζονται σε σχέση με τα μικροσκοπικά έντομα που πρέπει να κουνούν συνεχώς τα φτερά τους (Εικόνα 23). Οι μύες στην πτήση μπορούν να λειτουργήσουν ως φρένα, ελατήρια, αμορτισέρ και κινητήρες. Η ενεργοποίηση ενός μυός, προκαλεί αύξηση της ισχύος και επακόλουθη μείωση παραγωγής πίεσης. Επιπλέον ο θωρακικός μυς των πουλιών δημιουργεί την ενέργεια που απαιτείται για να πετάξουν. Η πτήση των περιστεριών είναι αξιοσημείωτη καθώς περιλαμβάνει πολλές και γρήγορες κινήσεις. Ακόμα οι κατσαρίδες λόγω της μικρής τους μάζας και της μεγάλης δύναμης στα πόδια έχουν την δυνατότητα να πετάξουν. Εικόνα 23 Βάδισμα Στα δίποδα ζώα, τα πόδια κάνουν μια κυκλική κίνηση αλληλοβοήθειας, το ένα πόδι πάει μπροστά αναγκάζοντας και το άλλο να ακολουθήσει. Εξαιτίας του ότι τα πόδια κρατάνε ολόκληρη την ισορροπία του σώματος, και του ότι ταυτόχρονα κάνουν αυτήν 20