Clone Alpha: humanoidalny robot zbudowany z syntetycznych organów i sztucznych mięśni

Natura już od 3,8 miliarda lat nieustannie ulepsza swoje projekty, znajdując rozwiązania na najtrudniejsze problemy naszej planety. Wystarczy spojrzeć na genialną prostotę rzepu, który powstał dzięki inspiracji sposobem, w jaki łopian przyklejał się do sierści psa. George de Mestral stworzył systemu mocowania, który naśladował ten naturalny mechanizm. Projektant japońskiego pociągu Shinkansen, Eiji Nakatsu, wzorował swój projekt na dziobie zimorodka, który pozwala ptakowi nurkować w wodzie bez rozchlapywania wody. Dziobowaty nos pociągu znacznie zmniejszył hałas, jaki wydawał, wjeżdżając do tuneli, i poprawił jego aerodynamikę. To właśnie jest bionika, inaczej biomimetyka – interdyscyplinarna dziedzina, która czerpie z nieskończonej skarbnicy pomysłów natury, aby rozwiązywać ludzkie wyzwania w innowacyjny sposób.

W świecie, w którym robotyka coraz odważniej sięga po ludzką formę, Clone Robotics właśnie przekracza granicę tego, co dotychczas uznawaliśmy za możliwe. Podczas gdy giganci tacy jak Tesla stawiają głównie na podstawową automatyzację, firma założona w Polsce wybiera odmienną drogę – fascynującą i odważną próbę idealnego odwzorowania biomechaniki człowieka. Ich podróż rozpoczęła się od precyzyjnie skonstruowanej robotycznej dłoni, ewoluowała przez zaskakująco realistyczny humanoidalny tors, aż wreszcie dotarła do punktu kulminacyjnego: kompletnego androida mięśniowo-szkieletowego.

Kluczem do tej przełomowej wizji jest innowacyjna technologia Myofiber, wykorzystująca wodę jako napęd sztucznych mięśni, które poruszają się z płynnością, mocą i zręcznością niespotykaną dotąd w świecie robotyki. Dzięki temu, Clone Robotics przesuwa granice, przybliżając nas o krok do epoki, w której androidy staną się niemal nieodróżnialne od ludzi.

Czym jest Clone Alpha?

Clone Alpha, robot bioniczny tworzony według wizji polskiego inżyniera Łukasza Koźlika, stanowi przełomowy krok w rozwoju robotyki humanoidalnej. Dzięki wykorzystaniu zaawansowanych technologii sztucznych mięśni oraz organów, robot ten ma potencjał, by znacząco wpłynąć na codzienne życie człowieka. Opracowana we Wrocławiu konstrukcja łączy wyjątkowe rozwiązania technologiczne z oryginalnym podejściem do projektowania, pozwalając firmie zająć konkurencyjną pozycję wśród światowych liderów branży robotycznej. Co więcej, robot będzie mógł w efektywny sposób wspierać ludzi w codziennych czynnościach, otwierając nowe możliwości zastosowań dla tego rodzaju robotów.

Firma Clone Robotics została założona pod koniec 2021 roku przez Dhanusha Radhakrishnana, pełniącego funkcję CEO, oraz Łukasza Koźlika, CTO firmy. Głównym celem działalności jest stworzenie robotów przypominających swoim działaniem oraz strukturą biomechaniczną człowieka. Założyciele określają ten projekt mianem Clone Alpha – syntetycznego człowieka, zdolnego wykonywać ruchy i czynności z podobną precyzją oraz płynnością jak naturalne ludzkie ciało.

Robot jest konstruowany w oparciu o sztuczne materiały, przede wszystkim polimery, które naśladują mięśnie, kości, więzadła, powięzi oraz skórę.

Pierwsze efekty prac nad projektem można było zobaczyć już kilka lat temu, gdy zaprezentowano model dłoni i przedramienia, który precyzyjnie imitował naturalne ruchy człowieka. Projekt ten był kontynuacją wcześniejszej pracy Łukasza Koźlika, który 5 lat temu stworzył pierwsze robotyczne ramię w warunkach garażowych. Konstrukcja ta wykorzystywała przeprojektowane elementy szkieletu ludzkiego, gdzie zawiasy pełniły funkcję więzadeł, a ruch odbywał się za pomocą pompy wodnej o ciśnieniu 0,7 MPa sterowanej elektrozaworami.

Od samego początku, stworzenie dłoni było priorytetem. Dlaczego? Ponieważ robot bez ręki nie będzie w stanie zrobić nic poza chodzeniem lub kiwaniem głową. Ręce to główne jego narzędzie, za pomocą którego będzie funkcjonować w otoczeniu. Są podstawą do wykonywania różnych zaprogramowanych czynności. Do dziś prace nad ręką trwały 9 lat.

Poniżej dłoń i przedramię na filmie sprzed 7 miesięcy:

Co napędza humanoida?

Aby wprowadzić sztuczne mięśnie w ruch, robot wykorzystuje innowacyjny, hybrydowy układ hydrauliczno-pneumatyczny. System ten opiera się na wydrukowanych w technologii 3D elastycznych wężach, które dostarczają płyny hydrauliczne lub powietrze bezpośrednio do sztucznych mięśni (technologia Myofiber), kontrolując ich skurcze. Wysokowydajna pompa o mocy 500 watów pełni funkcję „sztucznego serca”, generując wymagane wysokie ciśnienie, niezbędne do sprawnego działania całego układu.

Wybór układu hydrauliczno-pneumatycznego w robotyce jest rozwiązaniem rzadko stosowanym, gdyż współczesne roboty zazwyczaj wykorzystują napędy elektryczne. Jednakże hydraulika oraz pneumatyka posiadają unikalne cechy – zalety, szczególnie istotne w aplikacjach bionicznych. Układy hydrauliczne generują bardzo duże siły przy zachowaniu wysokiej precyzji ruchów, natomiast układy pneumatyczne charakteryzują się szybkim czasem reakcji oraz dużą elastycznością. Połączenie obu systemów zapewnia zatem zarówno dużą moc, jak i wyjątkową precyzję oraz wrażliwość ruchów, na wzór naturalnego układu mięśniowo-szkieletowego człowieka.

Ważnym elementem całego systemu są autorskie zawory sterujące opracowane przez firmę Clone Robotics. Zawory te pełnią rolę pośrednika pomiędzy „mózgiem” robota (układem sterującym) a mięśniami, umożliwiając precyzyjne regulowanie przepływu ciśnienia za pomocą sygnałów elektrycznych. W efekcie uzyskiwana jest bardzo dokładna kontrola ruchów i reakcja robota, zbliżona do naturalnych odruchów człowieka.

Układ szkieletowy

Układ szkieletowy robota ma stanowić wierną replikę struktury anatomicznej człowieka. Złożony jest ze wszystkich 206 kości, które łączą się za pomocą przegubowych stawów o niewielkiej liczbie stałych połączeń. Każdy staw wyposażono w precyzyjnie rozmieszczone sztuczne więzadła oraz elastyczną sztuczną tkankę łączną, co zapewnia androidowi wyjątkową mobilność i naturalność ruchów. Relacje między stawami a sztucznymi mięśniami odzwierciedlają złożone zależności występujące w ludzkim ciele, uwzględniając zarówno połączenia jeden-do-wielu, jak i wiele-do-jednego.

Szczególną uwagę poświęcono ramieniu, gdzie cztery stawy łączące kość ramienną z łopatką i obojczykiem oferują łącznie aż 20 stopni swobody ruchu rotacyjnego i translacyjnego. Dodatkowo każdy krąg kręgosłupa dysponuje 6 stopniami swobody, natomiast sam układ dłoni, nadgarstka i łokcia zapewnia 26 stopni swobody. Łącznie, tylko w górnej części korpusu (bez kończyn dolnych), robot dysponuje aż 164 stopniami swobody. Cały ten zaawansowany system wykonano z lekkich, ekonomicznych i wytrzymałych materiałów polimerowych.

4 miesiące temu pokazano górną część robota – tors plus ręce. Pierwszy bimanualny tułów zawiera uruchamiany łokieć, kręgosłup szyjny (szyję) i antropomorficzne ramiona ze stawami mostkowo-obojczykowymi, obojczykowo-barkowymi, łopatkowo-klatkowymi i ramienno-łopatkowymi.

Układ nerwowy

System nerwowy Clone’a został opracowany z myślą o bezpośredniej i precyzyjnej kontroli zastawek sterujących mięśniami. Jego działanie opiera się na natychmiastowej transmisji sygnałów neuronalnych, wspieranych przez układy proprioceptywnego i wizualnego sprzężenia zwrotnego. Aby zapewnić precyzyjną percepcję otoczenia, w „czaszce” Clone’a rozmieszczono cztery kamery głębi. Ponadto, 70 sensorów bezwładnościowych odpowiada za monitorowanie pozycji stawów, dostarczając dane o ich kątach i prędkościach ruchu. Dodatkowe 320 czujników ciśnienia zapewnia szczegółowe informacje zwrotne dotyczące siły generowanej przez poszczególne mięśnie.

Sterowanie i odbiór sygnałów z tych zaawansowanych sensorów realizowane są poprzez szereg płyt kontrolnych umieszczonych wzdłuż kręgosłupa robota. Wyposażone są one w szybkie mikrokontrolery, które błyskawicznie przesyłają dane do centralnego procesora graficznego NVIDIA Jetson Thor inference, znajdującego się w głowie Clone’a. Na tym układzie działa specjalistyczny model wizualno-motoryczny Cybernet, który koordynuje wszelkie działania ruchowe i analizę otoczenia w czasie rzeczywistym.

Układ naczyniowy

System naczyniowy robota reprezentuje szczytowe osiągnięcie w dziedzinie zaawansowanych hydraulicznych układów napędowych. W jego sercu znajduje się niezwykle kompaktowa, elektryczna pompa hydrauliczna o mocy 500 watów, której rozmiary odpowiadają ludzkiej strukturze serca. Pompa ta zapewnia niesamowite parametry pracy, dostarczając płyn roboczy o objętościowym natężeniu przepływu do 40 SLPM oraz znamionowym ciśnieniu roboczym sięgającym 100 psi. Dzięki temu cały układ mięśniowy Clone’a otrzymuje skutecznie kontrolowane i stabilne ciśnienie hydrauliczne.

Zastosowane przez Clone technologie zaworów Aquajet pozwalają na wyjątkowo efektywne zarządzanie przepływem cieczy. Każdy zawór zapewnia ciśnienie 100 psi przy natężeniu przepływu 2,28 SLPM, zużywając przy tym mniej niż jeden wat energii. Dodatkowo, zawory te mają trójdrożną konfigurację, zamkniętą w miniaturowych obudowach o średnicy zaledwie 12 mm, co umożliwia niezwykle precyzyjne rozmieszczenie i sterowanie całym układem hydraulicznym robota.

Podsumowanie

W zeszłym miesiącu został zaprezentowany widok całego humanoida. Stworzony z ponad 1000 sztucznych włókien mięśniowych robot będzie gotowy jeszcze w tym roku a na początku zostanie wyprodukowane 279 sztuk.

Przyszłość rozwoju androida będzie silnie związana z zaawansowaną integracją sztucznej inteligencji, pozwalającą robotowi na autonomiczne i inteligentne działanie. Dzięki technologiom takim jak uczenie maszynowe, sieci neuronowe oraz uczenie się ze wzmocnieniem, robot będzie mógł samodzielnie planować ruch, rozpoznawać obiekty, podejmować decyzje oraz skutecznie dostosowywać się do zmieniającego się środowiska.

Humanoid zostanie wyposażony w 16 podstawowych umiejętności, obejmujących m.in. zarządzanie gospodarstwem domowym, takie jak przygotowywanie posiłków, odkurzanie, pranie czy zarządzanie zapasami kuchennymi. Dodatkowo zaplanowano funkcje społeczne, umożliwiające interakcje przypominające zachowania ludzkie.

Choć pełne możliwości robota pozostają do zaprezentowania, już teraz można stwierdzić, że Protoclone może wyznaczyć zupełnie nowe standardy w dziedzinie robotyki humanoidalnej.