Плантоид

Использование мягких тактильных датчиков (устройств, собирающих информацию о физическом окружении) позволяет plantoid ориентироваться в пространстве. Эти датчики передают информацию устройству и генерируют сигналы, подобно тому, как компьютер получает данные с клавиатуры^[8]. Они способны сканировать препятствия или важные объекты (например, источники воды) около корней робота, а программное обеспечение определяет, является объект полезным или нет. Получив информацию, plantoid посылает сигналы другим подвижным частям, действуя подобно тому, как корни растений передают сигналы растению. В отсутствие центрального управляющего устройства датчики выступают как независимые центры управления, направляя команды близлежащим корневым сегментам. Это может приводить к тому, что несколько датчиков воспринимают одну и ту же информацию, и несколько корней реагируют согласованно.

Датчики прикреплены к псевдокорням plantoid и помогают направлять движение на основании обратной связи, подобно корням реального растения. Благодаря сигналам от датчиков эти структуры способны тянуться к объектам интереса либо удаляться от них, что обеспечивает корням гибкость в почве. Такую гибкость обеспечивает конструкция корней — с применением пружин и электродвигателей. Двигатель служит основным управляющим элементом, а пружины придают гибкость, позволяя двигаться почти в любом направлении. Кроме классического движения корней, разрабатываются и новые способы перемещения plantoid. В проекте GrowBot (2015) под руководством Барбары Маццолай в Итальянском институте технологии создаётся система транспорта plantoid, имитирующая усики растений — структуры, позволяющие цепляться за объекты окружающей среды для опоры или передвижения. Это позволяет plantoid менять положение (например, для поиска питательных веществ или проведения исследований)^[9]. Искусственные усики содержат трубку, проходящую сквозь слои ткани; по трубке протекает раствор ионов в воде. При подаче электрического заряда вода начинает течь, ионы прилипают к ткани, а усик закручивается. Разработка таких усиков повышает мобильность plantoid в неизвестных или агрессивных средах.

Ключевым направлением в развитии систем движения стало создание «растущих роботов» (growbots), которые передвигаются за счёт удлинения своего тела, а не перемещения корпуса. Один из подходов — рост за счёт выворачивания материала (everting). В таких роботах, напоминающих лиану, трубка из мягкого материала, сложенная внутри, выворачивается наружу под действием сжатого воздуха^[10]. При этом основная часть корпуса остаётся неподвижной, что минимизирует трение с окружающей средой^[11], а длина робота может увеличиваться на десятки метров^[12]. Другой метод имитирует рост корней за счёт добавления нового материала на кончике робота, например, путём осаждения нитевидных материалов или экструзии расплавленного пластика^[13][14].

Исследуются и другие биомиметические принципы. Разрабатываются мягкие роботы, использующие для движения процесс, схожий с осмосом: под действием низкого напряжения ионная жидкость внутри гибкого тела перемещается, заставляя робота изгибаться и ползти^[15]. Также изучается применение циркумнутации — круговых движений, которые корни растений используют для уменьшения трения при проникновении в почву^[16]. Для имитации движений растений, таких как изгиб или скручивание в ответ на внешние стимулы (свет, тепло), используются стимулируемые гидрогели^[12].

Plantoid программируется с помощью специализированных алгоритмов для различных функций, от движения корней до универсальности датчиков. Механические части работают исключительно на основе программных алгоритмов, что позволяет им реагировать на изменения окружающей среды. Благодаря алгоритмам сенсоры получают данные о ресурсах поблизости и управляют движением кончиков plantoid. Часть проектов сосредоточена на алгоритмах взаимодействия корней, чтобы расширить число реакций между разными сегментами устройства. Разрабатываются алгоритмы и для других придатков, например, для поглощения веществ plantoid.

Параллельно с разработкой функциональных алгоритмов в робототехнике, вдохновлённой растениями, формируется подход, основанный на принципах «растительного интеллекта». Он предполагает создание систем управления с децентрализованной и модульной архитектурой, высокой пластичностью и тесной сенсомоторной связью, что позволяет роботу адаптироваться к окружающей среде без центрального процессора. Целью является достижение автономности, подобной самоорганизующимся системам в природе, а не просто способности работать независимо в течение заданного времени.

В ряде экспериментов plantoid исследуется для мониторинга качества почвы благодаря способности работать автономно и использовать подземные датчики. Автономность позволяет отслеживать изменения структуры почвы, выявлять области с недостатком воды или ресурсов и мониторить загрязнения на протяжении длительного времени. Использование plantoid даёт преимущество по сравнению с менее автоматизированными методами отслеживания состояния почвы.

Помимо мониторинга почвы, роботизированные системы, вдохновлённые растениями, применяются для анализа состояния сельскохозяйственных культур. В 2018 году был запущен проект SMASH, нацеленный на создание роботизированной экосистемы для устойчивого управления посевами^[17]. Другим примером является аграрный робот TerraSentia, представленный в 2019 году. Этот автономный аппарат передвигается по полю и собирает данные о фенотипе растений, такие как высота и диаметр стебля, с помощью камер и лазерных датчиков, что помогает в селекции^[18][19]. На международной конференции по робототехнике и автоматизации (ICRA) 2023 года была отмечена система Plant-EcoAIR, которая использует дроны для сбора и анализа летучих органических соединений, выделяемых растениями. Это позволяет на ранней стадии выявлять стресс у культур, вызванный, например, вредителями, и представляет собой новый подход в точном земледелии^[20].

Автономность plantoid позволяет использовать их для исследования экстремальных сред (очень холодные или жаркие районы), где человеку сложно собирать данные. Особый интерес представляет их потенциал в поисково-спасательных операциях: роботы, имитирующие рост, способны проникать в завалы для доставки воды или воздуха пострадавшим, а также для обнаружения людей^[21]. Гибкость и программируемость plantoid также открывают возможности для исследований в космосе. В частности, обсуждается применение плантоидов для исследования других планет, например, Марса, в том числе для создания на них инфраструктуры^[22][23]. Проект PLANTOID получил поддержку Европейского космического агентства (ESA)^[22].

В биоробототехнике изучение поведения корней plantoid даёт знания о том, как растение функционирует как целое и как взаимодействуют его органы. Улучшение дизайна и изучение моделей растений может привести к новым формам биороботов, воспроизводящим аналогичное поведение. Новые технологии позволят использовать несколько источников данных с дифференцированными реакциями в зависимости от полученной информации. Помимо этого, роботы, вдохновлённые растениями, могут служить инструментом для проверки теорий в области когнитивных наук о растениях.

Технологии, вдохновлённые растениями, также исследуются для генерации электроэнергии. В 2018 году команда Итальянского технологического института представила гибридное дерево, способное преобразовывать механическую энергию в электрическую. Система, состоящая из искусственных и натуральных листьев, генерирует энергию под воздействием ветра. В ходе исследования, опубликованного в журнале Advanced Functional Materials, установка произвела до 150 Вт, что позволило запитать 100 светодиодных ламп в лабораторных условиях.

Проект STREP Plantoid (1 мая 2012 — 30 апреля 2015) был одной из первых инициатив по изучению устройства и поведения искусственных растений. Его задачей было исследование поведения корней и создание технологий, способных имитировать эффективную работу природных корней^[24]. В рамках проекта опубликованы данные о поведении, реакции на стимулы и связи между частями системы, а также реализованы устройства (корневые чехлики, сенсоры), передающие информацию plantoid. Полученные сведения легли в основу дальнейших разработок: датчики усовершенствовались, чтобы фиксировать больше факторов окружающей среды, а коммуникация между разными частями plantoid изучалась для выбора наиболее эффективных схем^[24].

Проект PLANTOID, разработанный в Итальянском технологическом институте (IIT) под руководством Барбары Маццолаи, является одной из основополагающих разработок в области робототехники, вдохновлённой растениями^[25]. Он заложил парадигму «движения посредством роста» (movement by growth)^[26]. Робот состоит из «ствола» и функциональных «корней», которые оснащены сенсорами для анализа различных параметров среды (влажность, температура, гравитация, химические вещества)^[26]. В ранних прототипах для гибкости корней использовались пружины, а датчики обратной связи позволяли реагировать на градиенты питательных веществ и обходить препятствия. Рост достигается за счёт добавления нового материала на кончике корня, в том числе с помощью технологии 3D-печати. Система имеет децентрализованную архитектуру управления, что позволяет каждому корню автономно реагировать на локальные стимулы^[26].

Проект послужил основой для последующих исследований и разработок, таких как GrowBot и I-Seed. Обсуждаемые сферы применения плантоидов включают мониторинг и рекультивацию почв, поиск полезных ископаемых, участие в поисково-спасательных операциях, а также исследование других планет, в частности Марса. Проект получил поддержку Европейского космического агентства (ESA).

Концепция «растущих роботов» (growbots) предполагает создание систем, которые передвигаются за счёт удлинения своего тела, а не перемещения всего корпуса. Этот подход позволяет проникать в труднодоступные места с минимальным трением.

Одним из первых ярких примеров стал прототип, представленный инженерами Стэнфордского университета в 2017 году. Этот мягкий робот, напоминающий лиану, представляет собой трубку из гибкого материала, сложенную внутри себя. Под действием сжатого воздуха материал выворачивается наружу, заставляя робота расти в заданном направлении, при этом основная часть его корпуса остаётся неподвижной. Робот способен ориентироваться в пространстве, например, двигаясь к источнику света, и преодолевать препятствия, продолжая движение даже после прокола.

Другой подход реализован в роботе FiloBot, который также имитирует вьющуюся лозу. Он растёт за счёт экструзии расплавленного пластика из своей «головы», которая одновременно является центром управления. Этот метод напоминает 3D-печать на кончике робота. FiloBot оснащён датчиками, позволяющими ему двигаться к свету или против силы тяжести, что делает его перспективным для исследования завалов после землетрясений.

Flora Robotica — европейский исследовательский проект, который реализовывался с апреля 2015 по март 2019 года^[27]. Его главной задачей было создание гибридных систем, в которых роботы и живые растения взаимодействуют для формирования архитектурных объектов и жилых пространств^[28].

Концепция проекта основана на симбиотических отношениях: роботизированные конструкции служат каркасом для растений и направляют их рост с помощью света и других стимулов^[27]. Растения, в свою очередь, придают прочность и устойчивость всей конструкции^[29]. В рамках проекта разрабатывались модульные «роботы-косы» для плетения каркасов и роботизированные узлы с датчиками для взаимодействия с растениями^[27].

GrowBot — европейский исследовательский проект в рамках программы Horizon 2020, который реализовывался с января 2019 года по июнь 2023 года^[30][31]. Проект координировался Барбарой Маццолаи из Итальянского технологического института (IIT)^[32]. Целью проекта была разработка нового класса роботов, имитирующих вьющиеся растения и способных передвигаться и адаптироваться к окружающей среде за счёт роста, а не с помощью традиционных методов передвижения^[33]. Роботы GrowBot создавались как лёгкие и энергоэффективные системы, способные карабкаться, закрепляться на поверхностях и преодолевать препятствия в сложных условиях, где обычные роботы неэффективны^[32][33].

В декабре 2023 года были представлены результаты проекта, которые включали разработанные роботизированные платформы (в том числе робота-разведчика и робота с поведенческим контролем, вдохновлённым растениями), а также технологии для крепления и материалы, имитирующие биологические особенности растений^[32][34].

I-Seed — это европейский проект, направленный на создание миниатюрных, биоразлагаемых и саморазвёртывающихся мягких роботов для мониторинга окружающей среды^[35]. В основе проекта лежит имитация морфологии и способности к распространению семян растений.

Роботы создаются с помощью 4D-печати и способны автономно изменять свою форму и передвигаться под воздействием влажности, подобно семенам южноафриканской герани^[36]. Они предназначены для анализа таких параметров, как влажность почвы, температура и наличие загрязнителей^[37]. В ноябре 2023 года была представлена разработка флуоресцентного искусственного семени Acer i-Seed для мониторинга температуры почвы с помощью дронов^[38]. По состоянию на 2024 год, работа по проекту продолжается с целью повышения уровня технологической готовности пяти прототипов роботизированных семян^[39].