צמחי הרובו של ברברה מזולאי יכלו לנתח ולהעשיר אדמה, לחפש מים וכימיקלים אחרים ועוד.
על ידי דריו פלוריאנו וניקולה נוסנגו/MIT Press Reader |
מאמר זה הופיע במקור ב- MIT Press.מאמר זה לקוח מתוך ספרם של דריו פלוריאנו וניקולה נוסנגו "סיפורים מעולם רובוטי."
בתחילת שנות ה-2010 החלה להופיע טרנד חדש ברובוטיקה. מהנדסים החלו ליצור גרסאות רובוטיות של סלמנדרות, שפיריות, תמנונים, שממיות וצדפות - מערכת אקולוגית של ביומימיקה מגוונת כל כך כַּלכָּלָן הציג את זה כ"זובוטיקה." ובכל זאת הביולוגית האיטלקית שהפכה למהנדסת ברברה מצולאי הרימה גבות כשהציעה להסתכל מעבר לבעלי חיים ולבנות רובוט בהשראת ממלכה ביולוגית אחרת לגמרי: צמחים. קולח כמו הגדרת המילה רוֹבּוֹט יכול להיות, רוב האנשים יסכימו שרובוט הוא מכונה שזזה. אבל תנועה היא לא מה שצמחים מפורסמים בה, ולכן צמח רובוטי עשוי להישמע בהתחלה, ובכן, משעמם.
אבל צמחים, מסתבר, אינם סטטיים ומשעממים כלל; אתה רק צריך לחפש פעולה במקום הנכון ובטווח הזמן הנכון. כשמסתכלים על הצמחייה השופעת של יער טרופי או מתפעלים מהצבעים של גן אנגלי, קל לשכוח שבעצם אתה מסתכל רק על מחצית מהצמחים שלפניך. החלקים הנראים ביותר, אולי, אבל לא בהכרח החכמים שבהם. מה שאנו רואים בדרך כלל הם מערכות הרבייה והעיכול של הצמח: הפרחים והפירות המפיצים אבקה וזרעים והעלים שמפיקים אנרגיה מאור השמש. אבל מערכת העצבים, כביכול, שחוקרת את הסביבה ומקבלת החלטות היא למעשה מתחת לאדמה, בשורשים.
שורשים אולי מכוערים ונידונים לחיות בחושך, אבל הם מעגנים היטב את הצמח ואוספים כל הזמן מידע מהאדמה כדי להחליט לאיזה כיוון לגדול כדי למצוא חומרים מזינים, להימנע מאדמה מלוחה, ולמנוע הפרעה לשורשים של צמחים אחרים. הם אולי לא החופרים המהירים ביותר, אבל הם היעילים ביותר, והם יכולים לחדור את הקרקע תוך שימוש רק בחלק מהאנרגיה שתולעים, שומות או מקדחות מיוצרות דורשות. שורשי צמחים הם, במילים אחרות, מערכת פנטסטית לחקר תת קרקעי - וזה מה שנתן השראה למאצולה ליצור גרסה רובוטית שלהם.
"זה אילץ אותנו לחשוב מחדש על הכל, מחומרים ועד חישה ושליטה ברובוטים."
דרכו האינטלקטואלית של מזולאי היא מקרה בוחן בבינתחומיות. נולדה וגדלה בטוסקנה, באזור פיזה שהוא אחד המקומות החמים הרובוטיים של איטליה, היא הוקסמה כבר בשלב מוקדם על ידי חקר כל הדברים החיים, בוגרי ביולוגיה באוניברסיטת פיזה והתמקדות בים ביולוגיה. לאחר מכן החלה להתעניין במעקב אחר בריאותן של מערכות אקולוגיות, עניין שהוביל אותה לקבל את הדוקטורט שלה במיקרו-הנדסה ובסופו של דבר להציע על ידי פאולו דריו, חלוץ ביורובוטיקה ב-Scuola Superiore Sant'Anna של פיזה, האפשרות לפתוח קו מחקר חדש על טכנולוגיות רובוטיות לסביבה חישה.
שם, בקבוצה של פאולו דריו, נשתלו הזרעים הראשונים של הרובוטים שלה בהשראת הצמח. מזולאי יצרה קשר עם קבוצה בסוכנות החלל האירופית (ESA) שאחראית על חקר טכנולוגיות חדשניות שנראו מעניינות אך עדיין היו רחוקות מיישומים, היא נזכרת. בזמן סיעור מוחות איתם, היא הבינה שמהנדסי חלל נאבקים בבעיה שצמחים פתרו בצורה מבריקה לפני כמה מאות מיליוני שנים.
"בצמחים אמיתיים, לשורשים יש שתי פונקציות", אומר מזולאי. "הם חוקרים את האדמה בחיפוש אחר מים וחומרים מזינים, אבל חשוב עוד יותר, הם מעגנים את הצמח, שאחרת יתמוטט ומת." עיגון הוא במקרה בעיה בלתי פתורה בעת תכנון מערכות שצריכות לדגום ולחקור כוכבי לכת רחוקים או אסטרואידים. ברוב המקרים, מהירח ועד מאדים ושביטים רחוקים ואסטרואידים, כוח הכבידה חלש. בניגוד לכדור הארץ, המשקל של החללית או הרובר לא תמיד מספיק כדי להחזיק אותו בחוזקה קרקע, והאפשרות היחידה הזמינה היא להעניק לחללית צלונים, מסמרים מחולצים, ו תרגילים. אבל מערכות אלה הופכות לבלתי אמינות עם הזמן אם האדמה זוחלת, בתנאי שהן פועלות מלכתחילה. הם לא עבדו עבור פילה, למשל, הנחתת הרובוטית שהגיעה לשביט 67P/Churyumov-Gerasimenko ב-2014 לאחר נסיעה של 10 שנים בלבד ל לא מצליח לעגון בסוף הירידה שלו, מקפץ הרחק מהקרקע ואוסוף רק חלק מהמתוכנן מידות.
במחקר היתכנות קצר שבוצע בין 2007 ל-2008 עבור ESA, מזולאי והצוות שלה נתנו לדמיון שלהם להשתחרר ותיארו מערכת עיגון עבור חלליות בהשראת שורשי צמחים. קבוצת המחקר כללה גם את סטפנו מנקוסו, בוטנאי מפירנצה שלימים יזכה לתהילה הרעיון שלו שצמחים מציגים התנהגות "אינטליגנטית"., אם כי מסוג שונה לחלוטין מזה של בעלי חיים. מזולאי וצוותה תיארו מערכת אידיאלית שתשחזר, ותעביר לכוכבי לכת אחרים, את היכולת של צמחי כדור הארץ לחפור באדמה ולעגן אליה.
במחקר של ESA, מזולאי דמיין חללית יורדת על כוכב לכת עם א בֶּאֱמֶת נחיתה קשה: הפגיעה תחפור חור קטן במשטח הפלנטרי, ותחדיר "זרע" בדיוק עמוק מספיק באדמה, לא שונה מדי ממה שקורה לזרעים אמיתיים. משם, שורש רובוטי יתחיל לצמוח על ידי שאיבת מים לסדרה של חדרים קטנים מודולריים שיתרחבו ויפעילו לחץ על האדמה. אפילו בתרחיש הטוב ביותר, מערכת כזו יכולה לחפור רק דרך אבק או אדמה רופפים ועדינים. השורש יצטרך להיות מסוגל לחוש את הסביבה התת-קרקעית ולהתרחק מסלע יסוד קשה. מצולאי הציע את מאדים כמקום המתאים ביותר במערכת השמש להתנסות במערכת כזו - טוב יותר מהירח או אסטרואידים בגלל כוח הכבידה הנמוך של הכוכב האדום והלחץ האטמוספרי בגובה פני השטח (בהתאמה, 1/3 ו-1/10 מאלה שנמצאו על כדור הארץ). יחד עם אדמה חולית ברובה, התנאים הללו יקלו על החפירה מכיוון שהכוחות השומרים על חלקיקי האדמה יחד ומדחוסים אותם חלשים יותר מאשר על כדור הארץ.
בזמנו, ESA לא דחפה קדימה עם הרעיון של חוקר פלנטרי דמוי צמח. "זה היה עתידני מדי", מודה מזולאי. "זה דרש טכנולוגיה שעדיין לא הייתה שם, ולמעשה עדיין לא קיימת". אבל היא חשבה שאחרים מעבר לתחום החלל ימצאו את הרעיון מסקרן. לאחר המעבר למכון הטכנולוגי האיטלקי, בשנת 2012, שכנע מזולאי את הנציבות האירופית לממן מחקר בן שלוש שנים שיביא רובוט בהשראת צמחים, בשם הקוד Plantoid. "זה היה טריטוריה לא ידועה", אומר מזולאי. "המשמעות הייתה ליצור רובוט ללא צורה מוגדרת מראש שיכול לגדול ולנוע באדמה - רובוט העשוי מיחידות עצמאיות שיתארגנו בעצמו ויקבל החלטות באופן קולקטיבי. זה אילץ אותנו לחשוב מחדש על הכל, מחומרים ועד חישה ושליטה ברובוטים".
לפרויקט היו שני אתגרים גדולים: בצד החומרה, כיצד ליצור רובוט צומח, ובצד צד התוכנה, כיצד לאפשר לשורשים לאסוף ולשתף מידע ולהשתמש בו כדי ליצור קולקטיבי החלטות. מזולאי והצוות שלה התמודדו תחילה עם החומרה ותכננו את שורשי הרובוט כגמישים, מבנים גליליים ומפרקים עם מנגנון הפעלה שיכול להזיז את הקצה שלהם פנימה אחרת כיוונים. במקום מנגנון ההתארכות שהוקם עבור אותו מחקר ראשוני של ESA, מצולאי בסופו של דבר עיצב גידול ממשי מנגנון, בעצם מדפסת תלת מימד מיניאטורית שיכולה להוסיף ברציפות חומר מאחורי קצה השורש, ובכך לדחוף אותו לתוך הקרקע.
זה עובד ככה. חוט פלסטיק כרוך סביב סליל המאוחסן בגזע המרכזי של הרובוט ונמשך לכיוון הקצה על ידי מנוע חשמלי. בתוך הקצה, מנוע אחר מכריח את החוט לתוך חור שחומם על ידי נגד, ואז דוחף אותו החוצה, מחומם ודביק, מאחורי הקצה, "החלק היחיד של השורש שתמיד נשאר בעצמו", מצולאי מסביר. הקצה, המותקן על מיסב כדורי, מסתובב ונוטה ללא תלות בשאר המבנה, והלהט נאלץ על ידי לוחות מתכתיים להתפתל סביבו, כמו פיתול של מיתר גיטרה. בכל זמן נתון, שכבת הפלסטיק החדשה דוחקת את השכבה הישנה יותר מהקצה ונצמדת אליה. כשהוא מתקרר, הפלסטיק הופך למוצק ויוצר מבנה צינורי קשיח שנשאר במקומו גם כאשר משקעים נוספים דוחפים אותו מעל הלוחות המתכתיים. תארו לעצמכם מלופף חבל סביב מקל והחבל הופך נוקשה כמה שניות לאחר שפצעתם אותו. לאחר מכן תוכל לדחוף את המקל עוד קצת, ללפף סביבו עוד חבל ולבנות צינור ארוך יותר ויותר עם אותו מקל קצר כתמיכה זמנית. העצה היא החלק הנע היחיד של הרובוט; שאר השורש נמשך רק כלפי מטה, דוחף בעדינות אך ללא הפוגה את הקצה אל האדמה.
הגזע העליון והענפים של הרובוט הפלנטואידי מאוכלסים בעלים רכים ומתקפלים שנעים בעדינות לעבר האור והלחות. עלי פלנטואיד אינם יכולים עדיין להפוך אור לאנרגיה, אבל מייקל גראצל, פרופסור לכימיה ב-EPFL בלוזאן, שוויץ, ואחד המדענים המצוטטים ביותר בעולם, פיתח סרטים שקופים ומתקפלים מלאים בכלורופיל סינתטי המסוגל להמיר ולאגור חשמל מאור שיום אחד יכול להיווצר לעלים מלאכותיים המניעים את הפלנטואיד רובוטים. "העובדה שהשורש מפעיל לחץ על האדמה רק מהקצה היא מה שמייחד אותה באופן מהותי ממקדחות מסורתיות, שהן מאוד הרסניות. שורשים, להיפך, מחפשים שברי אדמה קיימים לצמוח לתוכם, ורק אם הם לא מוצאים כאלה, הם מפעילים מספיק לחץ כדי ליצור שבר בעצמם", מסביר מזולאי.
הפרויקט החדש הזה עשוי להביא יום אחד לחוקרים רובוטים שיוכלו לעבוד בסביבות חשוכות עם הרבה מקום ריק, כמו מערות או בארות.
פרויקט הפלנטואיד משך תשומת לב רבה בקהילת הרובוטיקה בגלל המסקרן אתגרים שהיא משלבת - צמיחה, שינוי צורה, אינטליגנציה קולקטיבית - ובגלל חדש אפשרי יישומים. ניטור סביבתי הוא הברור ביותר: השורשים הרובוטיים יכולים למדוד ריכוזים משתנים של כימיקלים באדמה, במיוחד רעילים, או שהם יכולים לצפות עבור מים בקרקעות צחיחות, כמו גם עבור נפט וגז - למרות שעד שהטכנולוגיה הזו תהיה בשלה, מוטב שנאבד את התלות שלנו בהם כמקורות אנרגיה על הפלנטה כדור הארץ. הם יכולים גם לעורר מכשירים רפואיים חדשים, כמו אנדוסקופים בטוחים יותר שנעים בגוף מבלי לפגוע ברקמה. אבל יישומי חלל נשארים על הרדאר של מצוליי.
בינתיים, Mazzolai התחיל עוד פרויקט בהשראת צמחים, שנקרא Growbot. הפעם ההתמקדות היא במה שקורה מעל פני האדמה, וההשראה מגיעה מטיפוס על עצים. "הפולשנות של צמחים מטפסים מראה עד כמה הם מצליחים מנקודת מבט אבולוציונית", היא מציינת. "במקום לבנות גזע מוצק, הם משתמשים באנרגיה הנוספת לצמיחה ולתנועה מהירה יותר מצמחים אחרים. הם מאוד יעילים בשימוש ברמזים מהסביבה כדי למצוא מקום לעגן. הם משתמשים באור, באותות כימיים, בתפיסה מישוש. הם יכולים לחוש אם העיגון שלהם באדמה חזק מספיק כדי לתמוך בחלק של הצמח שנמצא מעל הקרקע". הנה ה הרעיון הוא לבנות רובוט צומח נוסף, בדומה לשורשי הצמח, שיכול להתגבר על חללים ריק ולהיצמד לקיים מבנים. "בעוד שהפלנטואידים חייבים להתמודד עם חיכוך, בוטים לגידול פועלים נגד כוח המשיכה", היא מציינת. הפרויקט החדש הזה עשוי להביא יום אחד לחוקרים רובוטים שיוכלו לעבוד בסביבות חשוכות עם הרבה מקום ריק, כמו מערות או בארות.
אבל למרות כל הרובוטים שלה, מזולאי עדיין שמה עין על הרעיון בעל החזון שהתחיל את הכל: לשתול ולתת להם לגדול על כוכבי לכת אחרים. "זה היה מוקדם מדי כשהצענו את זה לראשונה; בקושי ידענו איך ללמוד את הבעיה. עכשיו אני מקווה להתחיל לעבוד שוב עם סוכנויות חלל". רובוטים בהשראת הצמח, היא אומרת, יכלו לא רק לדגום את האדמה אבל גם לשחרר כימיקלים כדי להפוך אותה לפורייה יותר - בין אם על פני כדור הארץ ובין אם באדמה מַאְדִים. ובנוסף לעיגון, היא רואה בעיני רוחה עתיד שבו ניתן יהיה להשתמש בצמחי רובו כדי לגדל תשתית שלמה מאפס. "כשהם גדלים, שורשי הפלנטואידים והענפים של גידול בוט יבנו מבנה חלול שניתן למלא בכבלים או נוזלים", היא מסבירה. היכולת הזו להצמיח באופן אוטונומי את התשתית לאתר מתפקד תעשה הבדל בעת התיישבות של סביבות עוינות כגון מאדים, שבו יער של רובוטים בהשראת צמחים יכול לנתח את האדמה ולחפש אחר מים וכימיקלים אחרים, ליצור מבנה יציב עם צינורות מים, חיווט חשמלי וכבלי תקשורת: סוג המבנה שאסטרונאוטים היו רוצים למצוא לאחר טיול של שנה למאדים.
דריו פלוריאנו הוא מנהל המעבדה למערכות חכמות במכון הפדרלי השוויצרי לטכנולוגיה לוזאן (EPFL). הוא המחבר, עם ניקולה נוסנגו, של "סיפורים מעולם רובוטי: כיצד מכונות חכמות יעצבו את עתידנו," שממנו מובא מאמר זה.
ניקולה נוסנגו הוא סופר מדע ומתקשר מדעי ב-EPFL. עבודתו הופיעה ב- Nature, the Economist, Wired ופרסומים אחרים. הוא העורך הראשי של Nature Italy
