Z roboti na pomoč naravi

Znanstveniki razvijajo miniaturne robote, ki posnemajo žive organizme, za raziskovanje in podporo obstoječih ekosistemov.

Vsekakor si ne želimo sveta, v katerem ne bi brenčali številni opraševalci, ki nam zagotavljajo hrano, vendar smo v naravo že toliko posegli, da se število žuželk in s tem opraševalcev dramatično zmanjšuje. S kombinacijo miniaturne robotike, umetne inteligence in strojnega učenja želijo raziskovalci z robotskimi čebelami spodbuditi odlaganje jajčec pri matici tako, da jo na primer hranijo s pravo hrano ob pravem času.

Preživi in uspevaj

»Načrtujemo, da bomo prek interakcije z eno samo čebelo matico vplivali na celoten ekosistem,« je dejal dr. Farshad Arvin, robotik in računalniški znanstvenik na Univerzi v Durhamu v Združenem kraljestvu. »Če lahko poskrbimo, da se dejavnosti, kot je odlaganje jajčec, dogajajo ob pravem času, lahko pričakujemo bolj zdrave zalege ter bolj aktivne in zdrave kolonije. Posledično se bo izboljšalo tudi opraševanje.«

Medtem ko se to dogaja nad površjem zemlje, robotske korenine, ki spreminjajo obliko in se lahko prilagajajo ter komunicirajo z resničnimi rastlinami in glivami, pridno garajo pod površjem. V globinah zemlje rastline in njihove glivaste sodelavke tvorijo obsežna omrežja.

Razvoj robotskih čebel in korenin poteka v okviru dveh projektov, ki ju financira EU. Obe pobudi preučujeta, kako umetne različice živih bitij, ki so bistvenega pomena za vzdrževanje ekosistemov, lahko pomagajo resničnim organizmom in njihovemu okolju preživeti ter uspevati, obenem pa zagotavljajo, da je hrane za ljudi še vedno več kot dovolj.

To bi lahko bilo ključnega pomena za dolgoročno prihodnost planeta, zlasti pri številnih vrstah, ki jim zaradi izgube habitata, onesnaževanja in podnebnih sprememb trenutno strmo upada populacija.

Ena od ogroženih vrst je medonosna čebela, ključna vrsta pri opraševanju, ki je nujno potrebno za 75 odstotkov pridelkov, gojenih za prehrano ljudi po vsem svetu.

S številnimi senzorji opazujejo panje, da bi natančno razumeli, kako se obnaša matica in kako bi se ji lahko približale robotske čebele krmilke. FOTO: Projekt Roboroyale  

Kraljevska oskrba matice

Projekt RoboRoyale, ki ga vodi dr. Arvin, povezuje mikrorobotsko, biološko tehnologijo in tehnologijo strojnega učenja pri skrbi za dobro počutje čebelje matice. Financiran je v okviru programa Iskalec (Pathfinder) Evropskega sveta za inovacije.

Po besedah ​​dr. Arvina je edinstveno pri projektu RoboRoyale dejstvo, da je osredotočen zgolj na matico in ne na celotno kolonijo. Pojasnil je, da projekt želi pokazati, kako lahko podpora enemu samemu ključnemu organizmu spodbudi proizvodnjo v celotnem okolju, kar potencialno vpliva na stotine milijonov organizmov.

Večrobotski sistem, za katerega projektna ekipa upa, da ga bo začela testirati v prihodnjih mesecih, se bo sčasoma naučil, kako skrbeti za matico, da bi optimiziral njeno odlaganje jajčec in proizvodnjo feromonov – kemičnih vonjav, ki vplivajo na vedenje celotnega panja.

Sistem se uporablja v opazovanih panjih iz umetnega stekla v Avstriji in Turčiji, pri čemer so robotske replike čebel zasnovane tako, da nadomestijo tako imenovane čebele krmilke, ki običajno komunicirajo z matico.

Hrana za zalego

Eden od ciljev je, da bi robotske čebele spodbudile odlaganje jajčec tako, da matici zagotovijo hrano, bogato z beljakovinami, ravno ob pravem času. Hkrati pričakujejo, da bi posledično povečanje števila čebel in iskanja hrane vodili k večjemu opraševanju okoliškega ekosistema, kar bi koristilo tako rastlinam pri rasti kot tudi živalim.

Sistem omogoča upravljanje od šest do osem robotskih čebel krmilk, od katerih so nekatere opremljene z mikrokamerami, znotraj opazovanega panja s krmilnikom, ki je nanje pritrjen od zunaj. Končni cilj je izdelati robotske čebele, ki bi bile popolnoma samostojne.

Pred tem je ekipa projekta RoboRoyale opazovala čebelje matice v več panjih s kamerami visoke ločljivosti in programsko opremo za analizo slik, da je dobila boljši vpogled v njihovo vedenje. Ekipa je zajela več kot 150 milijonov vzorcev poti matic znotraj panja in podrobne posnetke njihovih socialnih interakcij z drugimi čebelami. Zdaj te podatke analizira.

Raziskovalci projekta RoboRoyale upajo, da bo ta robotski sistem, potem ko bo dovolj preizkušen, spodbudil razumevanje potenciala biohibridne tehnologije ne samo pri čebelah, ampak tudi pri drugih organizmih.

»To bi lahko vodilo do nove vrste trajnostne tehnologije, ki bi pozitivno vplivala na okoliške ekosisteme,« je pojasnil dr. Arvin.

Lesni splet

Projekt I-Wood pa raziskuje zelo drugačno vrsto družbenega omrežja – tisto, ki je pod zemljo.

Znanstveniki na italijanskem inštitutu za tehnologijo (IIT) v Genovi preučujejo nekaj, kar so poimenovali lesni splet (ang. Wood Wide Web). Sestavljen je iz korenin rastlin, te so med seboj povezane s simbiotično mrežo gliv, ki jim zagotavljajo hranila ter jim pomagajo deliti vire in komunicirati.

Raziskovalci v okviru projekta I-Wood razvijajo mehke robotske korenine. FOTO: Iwood

Da bi bolje razumeli to mrežo in našli načine za spodbujanje rasti, raziskovalci v okviru projekta I-Wood razvijajo mehke robotske korenine, ki spreminjajo obliko ter se lahko prilagajajo in komunicirajo z resničnimi rastlinami in glivami. Projekt temelji na ideji, da bi robotska korenina rastline v svoji konici uporabila pomanjšan 3D-tiskalnik, da bi rasla in se razvejala plast za plastjo kot odgovor na okoljske dejavnike, kot so temperatura, vlaga in razpoložljiva hranila.

»Te tehnologije bodo pomagale povečati znanje o odnosu med simbionti in gostitelji,« je dejala dr. Barbara Mazzolai, robotičarka na inštitutu IIT in vodja projekta.

Ekipa dr. Mazzolaieve ima rastlinjak, v katerem goji riževe rastline, cepljene z glivami. Doslej so raziskovalci rast korenin in gliv preučevali ločeno. Kmalu nameravajo združiti svoje ugotovitve, da bi videli, kako, kdaj in kje nastane interakcija med tema organizmoma in katere molekule so vključene.

Ugotovitve bodo kasneje lahko uporabili I-Woodovi roboti, ki bodo pripomogli k čim učinkovitejši naravni simbiozi med glivami in koreninami. Ekipa upa, da bo do konca leta lahko začela eksperimentirati z roboti v rastlinjaku.

Po besedah ​​dr. Barbare Mazzolai je robotske korenine mogoče programirati za avtonomno premikanje, pri čemer jim pomagajo senzorji v njihovih konicah. Podobno kot se prave korenine ali deževniki premikajo pod zemljo, bodo tudi robotske korenine iskale prehode, skozi katere se je lažje premikati zaradi mehkejše ali manj kompaktne zemlje.

Zvito prilagajanje

Pri združevanju robotike z naravo se razvijalci srečujejo s številnimi izzivi. Čebele so na primer občutljive za tuje predmete v svojem panju in jih zato lahko odstranijo ali prekrijejo z voskom. Zaradi tega je uporaba elementov, kot so sledilne oznake, težavna.

Izkazalo se je, da so čebele začele bolje sprejemati robotske prišleke, potem ko je ekipa prilagodila elemente oznak, kot so njihova prevleka, materiali in vonj, pravi dr. Arvin iz projekta RoboRoyale.

Kljub tem izzivom dr. Arvin in dr. Barbara Mazzolai verjameta, da bi robotika in umetna inteligenca dolgoročno lahko odigrali ključno vlogo pri ohranjanju ekosistemov in okolja. Dr. Mazzolaieva vidi prednosti v potencialu tehnologij, da ponudijo globljo analizo malo razumljenih interakcij med rastlinami, živalmi in okoljem.

Na primer, s podzemno mrežo rastlinskih korenin in gliv, ki naj bi bila ključna za ohranjanje zdravih ekosistemov in omejevanje globalnega segrevanja z vezavo ogljika, nam robotske korenine lahko pomagajo odkriti, kako lahko zaščitimo in podpremo te naravne procese.

»Biomimikrija v robotiki in tehnologiji bo imela temeljno vlogo pri reševanju našega planeta,« je dejala dr. Barbara Mazzolai.

–––––––––

Raziskave, omenjene v članku, je financirala EU. Članek je bil prvotno objavljen v reviji Horizon, reviji EU za raziskave in inovacije.