Arukust seostatakse tavaliselt ajuga, närvirakkude keerulise võrgustikuga, mis enamasti paikneb organismi peas. Samamoodi on tehisaruga – näib, et koodiread mõtestavad kogu masina võimekuse. Kuid kui vaadata elusloodust, siis on organismide keha ja aju arenenud teineteisest lahutamatult. Keha toimib kui aju pikendus, lahendades nii mõnegi arvutuse ise. Kehaliselt arukad robotid on vajalikud keerulistes ja ohtlikes keskkondades (nt rusud, loodus) tegutsemiseks. Kuid praegused robotid ei kipu olema kehaliselt arukad – näib, et ei piisa üksnes nutikast komponentide valikust, vaja on need tervikuna toimima saada. Eluslooduses laialdaselt leiduv vereringesüsteem, mis ühendab keha eri osi, võib vihjeid anda, kuidas ehitada selliseid kohanevaid roboteid.

Keha arukus

Kehaline arukus on keha omadus lahendada keskkonnaga interakteerumisel esinevaid probleeme kehaehituse toel.¹ See tähendab, et keha on üles ehitatud sobivatest struktuuridest ja materjalidest nii, et osa vajalikust arvutusest toimub kehas ja osa ajus. Looduses on selline mehhanism aja jooksul evolutsiooni kaudu välja kujunenud aju arvutusvajaduse vähendamiseks. Sel juhul jääb ajul rohkem võimekust kehaliselt mittelahendatavate probleemide lahendamiseks. Näiteks jaotab inimese sisekõrva tigu kuuldud helilained sagedusele vastavalt närvirakkudele laiali ja ajul on sel ajal võimalik keskenduda helidele tähenduse andmisele.

Tehnika ei ületa loodust?

Roboteid on arendatud selleks, et nad täidaksid oma ülesannet autonoomselt ja vastavalt etteantud käskudele. Ülesande täideviimiseks on vajalik reglementeeritud keskkond, millele vastavalt käske täidetakse, kusjuures mida vähem võimalikke tulemeid, seda parem. Kõige struktureeritum keskkond on nt tehases, kus roboti ümbrus peab olema defineeritud millimeetri täpsusega. Tehase tootmisliinist väljaspool peab robot suutma ümbritsevast maailmast aru saada. Selleks on abiks selged ja üheselt mõistetavad reeglid, mida kõik süsteemis osalejad järgivad, näiteks tarnerobotite ja isesõitvate autode liikumist ja suhtlemist teiste liiklejatega reguleerivad liiklusreeglid. Ümbritseva poolstruktureeritud keskkonna tuvastamiseks kasutatakse sel juhul eri sensoreid (LIDAR, kaamerad jne) ning masinõpet, et andmetest kasulik info välja noppida. Selline maailma kaardistamisel ning otsustuspuul põhinev lahendus toimib siis, kui on võimalik kõikide muutujatega arvutuslikult toime tulla.

Praegu on robotitel kõige keerulisem toimida struktureerimata keskkondades, nt vabas looduses, katastroofipiirkonnas või rusudes, sest keskkonna paljude muutujatega kohanemine on keha vajakajäämise tõttu raske. Näiteks võib olla maastik väga eritaoline (sile vs. kivine, tahke vs. soine) ja ettearvamatu. Samuti ei liigu teised toimijad (inimesed, loomad) keskkonnas ettearvatavalt mööda neile reserveerituid radu. Samal ajal on suur huvi automatiseerida tegevusi just struktureerimata keskkondades, sest sealsed tööd on enamasti ohtlikud, nt Fukushima radioaktiivsete jäätmete koristamine või katastroofipiirkonnas ellujääjate otsimine. Keskkonnas paremaks toimetulekuks peaksid robotid efektiivsemalt otsuseid langetama ja andma osa otsustusprotsessist kehale. See tähendab, et vajame kehaliselt arukaid roboteid.

Hiljutises artiklis uuritakse, miks loomad on paremad jooksjad kui robotid.² Selgus, et kui jooksmiseks vajalikke alamsüsteeme nagu karkass, jõuallikas ehk mootor või lihas eraldi osadena vaadelda, on peaaegu alati tehnilise lahenduse parameetrid paremad kui looduslikul vastel. Miks siis loomad kiiremini jooksevad? Tulemus peab seega olema seotud osade kokkupaneku viisiga ja robotite praegune tipptasemel tark paigutus ei ole piisav. Puudu on esilekerkivus (ingl emergence), mis tähendab seda, et tervik käitub teisiti kui selle osad eraldi, kusjuures tervik ei ole taandatav oma osade omaduste summale. Näiteks on teadvus aju esilekerkiv omadus ning kudumi kui terviku elastsus tuleneb lõnga mustrisse kudumisest ega ole sõltuv ainult lõnga omadustest.³ Esilekerkivuse saavutamine robootikas kehaliselt arukama roboti ehitusega võib kõvasti laiendada robotite rakendusvõimalusi.

Viimased aastakümned on peamine areng toimunud andmepõhise, masin­õppel ja/või digitaalse tehisaru vald­konnas, mistõttu on maha jäänud robotite keha, materjalide ja morfoloogia areng.⁴ Edusamme on tehtud materjaliteaduses tugevamate, kergemate, jäigemate, täpsemate, kuid ka pehmete ning aktiivsete materjalide arenduses,⁵ kuid veel ei ole suurt tähelepanu pööratud materjalide ja tehnoloogiate kombineerimisele esile­kerkivuse saavutamiseks vastavalt keskkonnale. Just sellest võib saada viis, kuidas disainida roboteid kehalise arukusega.

Vedelik kui (keha) ühendav meedium

Kui vaadata elusloodust tervikuna, siis igas organismis, olgu tegemist taime, putuka, ainurakse või imetajaga, on mingisugune vedelikukomponent, mille üldine ülesanne on keha ühendamine. Arenenumates organismides on vedelikufaas organiseeritud vereringesüsteemi, milles veresooned juhivad südame pumbatud verd üle terve organismi. Seetõttu on kogu organism – koed ja organid – ühendatud ühe meediumiga, mis jõuab keha igasse osasse. Tegemist on kui kiirteega, mis massi transpordi kaudu ülesandeid lahendab. Kehasisese vedeliku esilekerkiv omadus on organismi terviklik toimimine, homöostaas.

Vedelikul on kehas mitmeid rolle, mida see täidab samaaegselt massiülekandega. Vedeliku rollideks eri kujudel (nt tsütoplasma, hemolümf, veri) on transportida inimkehas toit- ja jääkaineid, aga ka signaliseerivaid molekule – ioone nagu adrenaliin või insuliin; aidata immuunsüsteemi tööd ja säilitada ühtlast kehatemperatuuri. Neid rolle täidab see samal ajal, kusjuures ühes lahustis (vees) on lahustunud eri ained mitmesuguste ülesannetega. Võrdluseks võib võtta tehnikas levinud elektroonikalahendused, mis toimivad ühe kandja – elektronide – liikumisel ja ainest ennast ei liigutata. Just see on kehalise arukusega robotite väljaarendamise kitsaskoht.

Vedelikul põhinevad mitmed juba olemasolevad tehnoloogiad, mille integreerimisel robootikasse saaksime robotid, mis kohanduvad keskkonnaga paremini. Lõputu lahenduste hulk võimaldab vastavalt keskkonnale valida robotile vajalikud tööriistad ja neid vajaduspõhiselt kombineerida. Vedelikupõhised tehnoloogiad (roboti) kehamaterjalide sünteesiks (nt kohapealne polümerisatsioon), keskkonna analüüsiks (biopsia, kromatograafia), toiteks (elektrokeemilised akud), signaalmolekulide tuvastamiseks (ioonitundikud membraanid) ja keskkonna mõjutamiseks (bioreaktorid) oleksid praegu laboris või tööstuses toimuvatest teada-tuntud protsesside kohandused.

Kunstliku vereringe rakendamine esilekerkivuse saavutamiseks vajab teistsugust roboti siseehitust, millel oleks vedeliku ja muu keha vaheline interakteerumisvõime. Üldiselt on vedeliku roll automaatikas ning masinates seotud kas hüdrauliliste süsteemidega (kopad, rõhu ülekanne, vedeliku kokkusurutamatuse kasutamine), sisepõlemismootoritega (kütus), määretega (õlid) või pumpadega (vedeliku enda transport). Sellisel juhul on vedeliku seostumine ümbritseva roboti (metallist) kehaga enamasti mittesoovitud. Interakteerumise puhul liigub sisemisest vereringest roboti kehasse ainest vastavalt vajadusele, nt toiteks või uue haaratsi kohapealseks sünteesiks. Keha võib käituda ka reservuaarina, mis vastavalt vajadusele vabastab vereringesse funktsionaalseid (bio)molekule.

Kunstvereringe

Kõike eelnevat uurime Tartu ülikooli tehnoloogiainstituudi pehmerobootika grupis.⁶ Minu doktoritöö keskendub sellele, kuidas sisemise vedeliku abil kehalist arukust võimendada. Mind inspireerib elusloodus, eriti (öö)liblikad, kes putukatena on piisavalt keerulised organismid, et neil oleks vereringe, kuid see on lihtsam ja seega mõistetavam kui nii mõnelgi loomal. Mind huvitab, kuidas moodustada üle roboti keha ühtne süsteem, mis massiülekande kaudu vedeliku meediumis ülesandeid täidab. Oma prototüübiga uurin, kuidas roboti kehasisene vedelik saaks samaaegselt sisaldada toiteks, signaliseerimiseks ja ka kasvuks vajalikku roboti kehaga komplementaarset ainest. Sisevedeliku mitmekülgses koostöös kehaga on esilekerkivaks omaduseks keskkonnaga kohanemine, mis võimaldab ehitada kehaliselt arukamaid roboteid struktureerimata keskkondades ülesannete täitmiseks.

Paremini kohanduvate robotite loomiseks on vaja rohkem kui vaid head üksikosade komplekti. Roboti keha peab moodustama terviku nii, et esilekerkivad omadused on enamat kui üksikute komponentide omadused kokkuliidetuna. Sellise kehalise arukuseni võib jõuda kunstvereringega, mis tarnib läbi ühe vedelikumeediumi üle terve roboti keha tegevuseks vajalikku aineosakesi. Selline massiülekandel põhinev lahendus teeb lisaks energeetikale ja signaliseerimisele võimalikuks kõik komplementaarsed vedelikupõhised tehnoloogiad, näiteks roboti keha (ümber)kasvatamiseks, funktsioonide lisamiseks või analüüsiks. Esilekerkivate omadustega kehaliselt arukatel robotitel on tulevikku.

1 Vera Gesina Kortman, Barbara Mazzolai, Aimeé Sakes, Jovana Jovanova, Perspectives on Intelligence in Soft Robotics. – Advanced Intelligent Systems 29. IX 2024.

2 Samuel A Burden, Thomas Libby, Kaushik Jayaram, Simon Sponberg, J Maxwell Donelan, Why animals can outrun robots. – Science Robotics 2024, 9, (89).

3 Krishma Singal, Michael S. Dimitriyev, Sarah E. Gonzalez, A. Patrick Cachine, Sam Quinn, Elisabetta A. Matsumoto, Programming mechanics in knitted materials, stitch by stitch. – Nature Communications 2024, 15(1).

4 Aslan Miriyev, Mirko Kovač, Skills for physical artificial intelligence. –

Nature Machine Intelligence 2020, 2.

5 Philipp Rothemund, Yoonho Kim, Ronald H. Heisser, Xuanhe Zhao, Robert F. Shepherd, Christoph Keplinger, Shaping the future of robotics through materials innovation. – Nature Materials, 2021, 20.

6 Indrek Must, pehme robootika kaasprofessor. – Tartu Ülikool 15. XII 2022.

Balti riikide teaduste akadeemiate ja UNESCO rahvuslike komisjonide „Naised teaduses“ stipendiumide konkursil pälvisid Eesti teadlastest stipendiumi Mari Tõrv, Kadri-Ann Pankratov ja Marju Himma. Tartu ülikooli tehnoloogiainstituudi tehnoloogia nooremteadur Kadri-Ann Pankratov sai „Naised teaduses“ stipendiumi loodusteaduste, inseneeria ja tehnoloogia ning meditsiini valdkonna doktorantide kategoorias. Tema teedrajava uurimistöö aines on ulmeline bioloogiast inspireeritud pehmerobootika.