Robottiötökät

Hyönteiset ovat tarjonneet ihmisille monenlaisia hämmästelyn aiheita. Erityisesti hyönteisten ilmiömäinen lentotaito on askarruttanut ihmisiä kautta aikain. Vasta viime vuosikymmeninä tämäkin mysteeri on alkanut ratketa – robottien avulla.

Erikoiseen ongelmaan erikoinen ratkaisu

Hyönteisten lentämisen aerodynamiikkaa haluttiin ymmärtää laajasti: Kuinka hyönteisten siivet toimivat? Miten ne kykenevät nousemaan ilmaan niin vaivattomasti ja muuttamaan suuntaansa niin nopeasti? Miten ne väistelevät hurjasti huiskahtavaa kärpäslätkää ja selviävät yllättävistä törmäystilanteista ilman kummempia kompurointeja?

1900-luvun puolivälissä kimalaisen lentämistä yritettiin selvittää matemaattisesti. Luodut mallit kuitenkin osoittivat, että kimalaisen lennon pitäisi olla mahdotonta: lentonopeus ja siipien koko ei riittäisi nostamaan kimalaista ylös. Jotenkin nämä pullukat pölyttäjät kuitenkin uhmaavat aerodynamiikan perusteita, eli mallien oletuksissa oli jokin pielessä.

Tätä varten piti rakentaa robotteja.

Robottiötököiden luomiskertomus

1990-luvulla rakennettiin ensimmäiset koneet, joilla havainnollistettiin hyönteisten lentämistä. Koneiden avulla opittiin, etteivät hyönteiset räpyttelekään siipiään lintujen lailla. Hyönteisten siivet liikkuvat ylös ja alas sekä eteen ja taakse, ja aina liikkeen lopulla siipien kulma muuttuu tietyllä lailla. Kun esimerkiksi kärpänen räpäyttää siipiään eteen ja alas, siipien etureuna osoittaa eteenpäin. Liikkeen lopussa siivet pyörähtävät niin, että etureuna osoittaakin taakse ja ylös. Robottien avulla selvitettiin myös se, että hyönteisten ketterän ohjauskyvyn takana ovat pienen pienet muutokset siipien liikkeissä. Muutokset syntyvät joko suoraan siipiin liittyvien lihasten tai keskiruumiin liikkeiden avulla lajista riippuen.

Kun hyönteisten lentoa verrattiin lentäviin koneisiin, havaittiin, ettei hyönteisten lentotapa mahdollista sakkaamista. Sakkaaminen on vaarana liian jyrkässä kulmassa nousevalla lentokoneella, jonka siivistä ilmavirta voi erota kadottaen suuren osan sen nostovoimasta ja johtaen koneen tahattomaan vajoamiseen. Koneiden avulla löydettiin myös mahdollisia viitteitä sille, miksi hyönteisten siivet eivät toimi samoin kuin helikopterilla. Tutkimuksissa havaittiin, että helikopterimaiset siivet sopivat vain isommille roboteille, sillä koon pienentyessä siivistä tulisi tehottomammat muun muassa laakereiden pyörimiskitkan takia. Selvisi myös, että jos roboteille rakentaa hyönteisten kaltaiset lento-ominaisuudet, lentäminen on melko tehotonta suurilla roboteilla, mutta pienillä roboteilla toimivaa.

2000-luvun alussa alkoi pienten lentävien robottien huima kehitys, ja pian luotiin lentäviä ”robomehiläisiä”. Niiden liikkuminen vaati kuitenkin vielä ihmisen kontrollia, eivätkä ne toimineet ilman jatkuvaa virransyöttöä. Sittemmin hyönteisrobotit ovat kehittyneet valtavin harppauksin. Inspiraatiota niihin on haettu muun muassa kimalaisista, muurahaisista, termiiteistä ja kärpäsistä, jopa tuhatjalkaisista ja tulikärpäsistä.

Robottien kehityksessä pyritään selvästi lisäämään robottihyönteisten kykyä aistia ympäristöä monipuolisesti ja reagoimaan ympäristön ärsykkeisiin itsenäisesti. Nykyään useilla vapaasti lentävillä hyönteisroboteilla on liiketunnistimia ja mikroprosessorit kontrolloimaan siipien liikkeitä. Silmien virkaa toimittavat fotodiodit, ja joidenkin robottien ”näkökykyyn” on otettu inspiraatiota kimalaisten tavasta prosessoida ympäristöä ja kuvia. On vapaasti lentäviä ja aurinkoenergialla toimivia robotteja, ja robotteja, jotka painavat vain reilu 80 mg. On myös liuta robotteja, jotka kykenevät uimaan, hyppimään, ryömimään, sukeltamaan ja kävelemään pystysuoraa seinää pitkin. Eräs tutkimusryhmä pyrkii rakentamaan pehmeitä ja muotoaan muuttavia robotteja, jotka kestäisivät iskuja. Muurahaisista ja termiiteistä innoitusta saaneet robottiötökät voivat kommunikoida keskenään ja toimia joko yksin tai yhteistyössä. Ne voivat myös siirrellä moninkertaisesti oman massansa verran tavaraa ja tehdä erilaisia rakennelmia. Vaikka jokunen menetettäisiin, niin työ voi silti jatkua.

Robottiötököiden tulevaisuus

Nyt kun hyönteisten lentämisestä on saatu mittavat määrät uutta tietoa ja ymmärrystä, halutaan robottiötökät valjastaa tositoimiin. Roboteista haaveillaan apua tehtävissä, jotka ovat ihmisille vaarallisia tai haastavia. Robottiötököitä voitaisiin käyttää tuntemattomien ja vaikeasti saavutettavien alueiden tutkimiseen ja tarkkailuun, kuten miinakenttien ja avaruuden kartoittamiseen. Niistä voitaisiin saada paljon apua etsintäoperaatioihin. On myös väläytetty ajatusta siitä, että robottihyönteiset voisivat joskus osallistua viljelykasvien pölytykseen ratkaisuna maailmanlaajuiseen pölyttäjäkatoon.

Robottiötökät auttoivat ymmärtämään hyönteisten lentokykyjen salat, ja niillä voidaan helpottaa ihmisten elämää tulevaisuudessa. Samaan aikaan niistä käydään moraalifilosofista keskustelua, kun tunnistetaan robottihyönteisten käyttöön liittyvät eettiset ongelmat. Robottihyönteiset ovat varmasti uusi lisä siihen ihmiskunnan keksintöjen laariin, jonka kyljessä lukee ”Uhka vai mahdollisuus”.

Kirjoittanut Anna-Maria Borshagovski

Lähteet:

APS Physics: Flying Insects and Their Robot Imitators. Julkaistu 27.4.2020. https://physics.aps.org/articles/v13/60. Viitattu 31.3.2021.

Army Technology: Robotic insects add whole new meaning to ‘Fly-on-the-wall’ surveillance. Julkaistu 16.3.2015. https://www.army-technology.com/features/featurerobotic-insects-add-whole-new-meaning-to-fly-on-the-wall-surveillance-4531866/. Viitattu 31.3.2021.

Interesting engineering: Bug Life: These 5 Robots Were Inspired by Insects. Julkaistu 18.11.2018.  https://interestingengineering.com/bug-life-these-5-robots-were-inspired-by-insects. Viitattu 31.3.2021.

Ma, K. Y., Chirarattananon, P., Fuller, S. B., and Wood, R. J. (2013) Controlled flight of a biologically inspired, insect-scale robot. Science, 340, 603–607.

MIT news: Researchers introduce a new generation of tiny, agile drones. Julkaistu 2.3.2021. https://news.mit.edu/2021/researchers-introduce-new-generation-tiny-agile-drones-0302. Viitattu 31.3.2021.

Muijres, F. T., Elzinga, M. J., Melis, J. M., Dickinson, M. H. (2014) Flies Evade Looming Targets by Executing Rapid Visually Directed Banked Turns. Science, 344: 172-177.

Ozcan, O., Wang, H., Taylor, J. D., Sitti, M. (2014) STRIDE II: A Water Strider-inspired Miniature Robot with Circular Footpads. International Journal of Advanced Robotic Systems, 11: 85.

Phan, H. V., Aurecianus, S., Kang, T., Park, H. C. (2019) KUBeetle-S: An insect-like, tailless, hover-capable robot that can fly with a low-torque control mechanism. International Journal of Micro Air Vehicles, 11: 1-10.

Sane, S. P. (2003) The aerodynamics of insect flight. Journal of Experimental Biology, 206: 4191-4208.