Keijumainen robotti lentää tuulen ja valon voimalla

Ärsykkeisiin reagoivien polymeerien kehittämisen myötä myös edistyneiden pienikokoisten, langattomasti ohjattavien ja pehmeärunkoisten robottien valmistamiseen on auennut uusia mahdollisuuksia. Insinöörit ovat jo jonkin aikaa osanneet hyödyntää polymeerimateriaaleja valmistettaessa pienikokoisia robotteja, jotka osaavat kävellä, uida ja hypätä. Mutta toistaiseksi niitä ei ole saatu lentämään.

Tampereen yliopiston Light Robots tutkimusryhmässä tutkitaan, miten älymateriaaleista voidaan valmistaa lentäviä robotteja. Akatemiatutkija, projektin johtaja Hao Zeng ja väitöskirjatutkija Jianfeng Yang ovat keksineet uudenlaisen ratkaisun projektissaan FAIRY – Flying Aero-robots based on Light Responsive Materials Assembly. He ovat kehittäneet valoon reagoivista polymeereistä koostetun robotin, joka voi lentää tuulen avulla, ja jota ohjataan valolla.

– Keijurobotti on varustettu pehmeällä, valoon reagoivasta nestekiteisestä elastomeerista valmistetulla toimilaitteella, , joka saa haituvat avautumaan tai sulkeutumaan näkyvässä valossa. Se on ominaisuuksiltaan parempi kuin luonnollinen voikukan siemen, Zeng kertoo.

Keinotekoista keijua ohjataan valolla

Zengin ja Yangin kehittämässä keinotekoisessa keijussa on useita biomimeettisiä ominaisuuksia: suuren huokoisuutensa (0,95) ja kevyen (1,2 mg) rakenteensa ansiosta se voi helposti leijua ilmassa tuulen mukana. Lisäksi vakaa, erotettu pyörrerengas mahdollistaa pitkän lentomatkan tuulen avustamana.

– Keiju voi saada virtaa ja sitä voidaan ohjata valonlähteellä, kuten lasersäteellä tai LEDillä, Zeng sanoo.

Tämä tarkoittaa, että valon avulla voidaan muuttaa minirobotin rakenteen muotoa, joka muistuttaa pientä voikukan siementä. Muotoaan muuttamalla keiju voi mukautua manuaalisesti tuulen suunnan ja voiman mukaan. Valonsäteen avulla voidaan myös ohjata tämän polymeerikokoonpanon lentoonlähtöä ja laskeutumista.

Maataloudessa käyttömahdollisuuksia

Seuraavaksi tutkijat keskittyvät parantamaan materiaalin herkkyyttä, jotta laite voisi toimia auringonvalon avulla. Lisäksi he aikovat muokata rakenteen mittoja niin, että se voi kuljettaa mikroelektronisia laitteita, kuten GPS:ää ja antureita, sekä biokemiallisia yhdisteitä.

Zengin mukaan myös merkittävämmät sovellukset ovat mahdollisia.

– Kuulostaa hieman sci-filtä, mutta tutkimukseemme sisältyvät kokeet osoittavat, että kehittämämme robotti on tärkeä askel kohti keinotekoiseen pölytykseen soveltuvia realistisia sovelluksia, hän kertoo.

Tulevaisuudessa miljoonia siitepölyä kantavia, keinotekoisia voikukan siemeniä voitaisiin levittää vapaasti luonnollisten tuulten mukana, ja ohjata ne svalon avulla tietylle alueelle, jossa on pölytystä odottavia puita.

– Tällä olisi valtava vaikutus globaaliin maatalouteen, koska ilmaston lämpenemisestä johtuva pölyttäjien katoaminen on muodostunut vakavaksi uhaksi biologiselle monimuotoisuudelle ja elintarviketuotannolle, Zeng sanoo.

Vielä on pulmia ratkottavana

Ensin on kuitenkin ratkaistava monia ongelmia. Miten esimerkiksi robotin laskeutumista oikeaan kohtaan voidaan ohjata tarkasti? Miten laitteita voidaan käyttää uudelleen? Miten niistä tehdään biologisesti hajoavia?

Nämä kysymykset edellyttävät tiivistä yhteistyötä materiaalitutkijoiden ja mikrorobotiikan parissa työskentelevien tutkijoiden välillä.

FAIRY-hanke on alkanut syyskuussa 2021 ja kestää elokuuhun 2026 asti. Hanketta rahoittaa Suomen Akatemia. Lentävän robotin tutkimuksessa yhteistyössä ovat olleet mukana tohtori Wenqi Hu älykkäiden järjestelmien Max Planck for Intelligent Systems -tutkimusinstituutista ja tohtori Hang Zhang Aalto-yliopistosta.

Jianfeng Yangin, Hang Zhangin, Alex Berdinin, Wenqi Hun ja Hao Zengin kirjoittama artikkeli Dandelion-Inspired, Wind-Dispersed Polymer-Assembly Controlled by Light on julkaistu Advanced Science -lehdessä 27. joulukuuta 2022.