Zašto bi roboti budućnosti trebali kopirati slonove brkove?

Istraživanje otkriva kako slonovi ‘vide’ svojom kožom, a to može revolucionirati robotiku.

Slonovi posjeduju nevjerojatno osjetilo dodira zahvaljujući posebnim dlačicama, vibrissama, na surli. Ova biološka čuda sada su u središtu znanstvenog istraživanja koje pokazuje kako bi mogla postati uzor za revolucionarne robotske senzore. Takvi bi roboti bili jeftiniji, energetski učinkovitiji i iznimno osjetljivi na okolinu.

Nije to prva karakteristika koju primjećujemo kod slona, ali priroda je ovog diva opskrbila brkovima. Točnije, vibrissama, sličnim onima kod mačaka, koje su razasute duž njegove gigantske surle. Poput ušiju, surla je remek-djelo biološkog inženjeringa, omogućavajući mu da skenira okolinu, mapira teren, identificira teksture ili mjeri udaljenosti kirurškom preciznošću.

Gotovo jedinstven senzorni sustav u životinjskom carstvu mogao bi poslužiti za izradu robota opremljenih uređajima inspiriranim ovim vibrissama. Takvi bi roboti bili daleko osjetljiviji na okolinu, bez potrebe za skupim laserskim senzorima, termalnim kamerama, LiDAR-om ili algoritmima za računalni vid. U studiji objavljenoj 12. veljače u časopisu Science, međunarodni tim istraživača (Max Planck Institute i Sveučilište Humboldt) detaljno je opisao anatomiju ovih hi-tech dlačica kako bi objasnio kako ovaj mirni div može manipulirati čipsom ili kikirikijem a da ga ne slomi.

Proučavajući vibrise azijskog slona pod 3D mikroskopom, znanstvenici su otkrili da su one ravne i šuplje u podnožju. Djelomično porozne, vrlo su lagane i otporne na udarce – što je prednost s obzirom da, za razliku od drugih životinja, nikad ne izrastaju ponovno. Prirodna selekcija je dobro odradila posao: bilo bi katastrofalno da slon izgubi ove dlačice, s obzirom da dnevno svojom surlom prebire desetke kilograma hrane, koristi je za piće, komunikaciju ili tuširanje, i to uz vrlo slab vid.

Za razliku od krutih dlačica na ostatku tijela, vrhovi vibrissa iznimno su fleksibilni. Istraživači su ovu karakteristiku nazvali “gradijent funkcionalnosti”. U podnožju su tvrde i robusne kako bi prenijele taktilni signal, dok su na vrhu gipke poput elastike i prilagođavaju se najmanjem reljefu. Zahvaljujući ovom kontrastu, životinja točno zna gdje je točka dodira kada njezina surla nešto dotakne.

Zahvaljujući ovoj morfologiji, slon zapravo može “vidjeti” svojom kožom. Ako pređe preko predmeta, deformacija vibrise bit će različita ovisno o tome je li kontakt nastao dva milimetra ili tri centimetra od surle. Ovaj gradijent omogućuje mozgu pahiderma da trenutno izračuna udaljenost i oblik, čak i bez upotrebe očiju. Vibrise već obavljaju dio obrade informacija prije nego što taktilni osjet uopće stigne do neurona.

Vrijeme reakcije između kontakta slonovih vibrissa i pokreta surle jedno je od najbržih u životinjskom carstvu. Bioinspirirana robotika, iako joj korijeni sežu u 1950-e, doživjela je munjevito ubrzanje od 1990-ih i 2000-ih. Najpoznatiji primjeri su roboti-psi tvrtke Boston Dynamics: prvi, BigDog, i njegovi napredniji nasljednici poput Spota iz 2020. Međutim, nisu jedini; i druge, manje medijski izložene tvrtke ili znanstvene ustanove rade na ovom segmentu.

Takvi roboti, međutim, nemaju osjet dodira, za razliku od, primjerice, Figure 03. Iako je iznimno impresivan, kako po zadacima koje može obavljati tako i po metodi učenja, još uvijek ovisi o ogromnoj računskoj snazi i složenim neuronskim mrežama za interpretaciju okoline.

Kad bismo jednog dana uspjeli kopirati strukturu slonovih vibrissa, mogli bismo znatno smanjiti računsko opterećenje naših strojeva. U robotici se to naziva “utjelovljena inteligencija”: sama fizika senzora obrađuje informaciju. Primjerice, zglobna ruka prekrivena vibrissama ne bi trebala računati kako bi analizirala ono što dodiruje; vibrise bi, deformirajući se, informaciju dale trenutno. Mogli bismo zamisliti i spasilačke robote koji bi se provlačili kroz ruševine ili pogodena područja, bez potrebe za kamerama ili senzorima. Odličnu bi primjenu našli kod robotskih asistenata u kirurgiji ili onih koji istražuju oceanske ponore; mogućnosti su goleme.

Ako uspijemo industrijalizirati proces proizvodnje ovih vibrissa, robotika bi imala ogromnu prednost: zanemarivo nisku potrošnju energije za njihov rad. Budući da pasivno prikupljaju informacije, gotovo da i ne troše električnu energiju. Usput, ovakav sustav već testiraju na nekim dronovima brojne istraživačke ustanove, između ostalih MIT Computer Science and Artificial Intelligence Laboratory i Biomimetics and Dextrous Manipulation Laboratory sa Sveučilišta Stanford, kako bi lakše izbjegavali prepreke. Iako su ova istraživanja još u eksperimentalnoj fazi, njihov je potencijal ogroman; međutim, za sada su tek mali uvid u ono što bi robotika sljedećeg desetljeća mogla biti.