Sinine lamp süttib. Liblikakujulise läbipaistva plasttiiva sisemusse hakkab tekkima tume kujutis, justkui ilmutaks keegi mustvalget fotot. Umbes minuti pärast lamp kustub, kuid kujutis jääb. Moodustis ei asu tiiva pinnal, vaid selle sees. Tiiva struktuur murrab pisut valgust, mistõttu paistab kujund keset tiiba justkui kummituslik vari, kirjutavad Tartu Ülikooli nooremteadur Kadri-Ann Pankratov ja pehme robootika kaasprofessor Indrek Must.

Selle minuti jooksul tekkis robotile meeleorgan, mida tal varem polnud. Tume kujund juhib elektrit, reageerib valgusele ja on ühendatud roboti juhtelektroonikaga. Robot ei saanud külge uut detaili, vaid kasvatas selle omaenda keha ehk kunsttiiva sisse.

Liblika keha kui taristu šabloon

Pealtnäha võivad putukatiivad tunduda elutu kehapikendusena – purjeriide või plastitükina, mis liigub putuka rindmikus asuvate lihaste abil. Lähemalt vaadates on aga liblikatiib kaetud väikeste soomustega, mille ettevaatlikul pintsliga eemaldamisel – ärme seda elus liblikatega tee, sest liblikatel on soomuseid tarvis – tuleb nähtavale õhuke läbipaistev membraan, mida hoiavad pingul torujad veenid. Neis liiguvad nii õhk kui ka hemolümf ehk vere analoog. See kannab edasi elutegevuseks vajalikku energiat ja vajalikku ainest, millega keha üles ehitada ja vajadusel parandada.

Ühtlasi niisutab hemolümf tiiva struktuure, muutes selle just nii palju jäigaks, et see toetaks lendamist. Hemolümf, mis suunatakse tiiva sisemusse, aitab jahutada ka ülekuumenevat keha, sest tiivad puutuvad kokku liikuva õhuga. Tiib on peaaegu kogu ulatuses osa liblika avatud vereringest, kus hemolümf kannab kehaosade, sealhulgas tiibade, vahel edasi keemilisi sõnumeid. Seega kuuluvad tiivad liblika jagatud inforuumi ja on täiesti elus!

Robootikute eesmärk pole luua liblika robotkoopiat – selleks puudub lihtsalt vajadus. Samuti ei ole mõistlik tehnoloogiasse üle kanda kõiki looduse omadusi, vereringet robotitel üldiselt pole. 

Miks peaks olema robotil vereringe?

Robootikutele pakuvad vereringega liblikatiivad huvi siiski mitmel põhjusel. Esiteks on nii tiib tervikuna kui ka selles paiknev veresoonte võrgustik ehk vaskulaarsüsteem peaaegu tasapinnalised. Seega, kui ruumilisemate organite juures saaksime hõlpsalt jälgida vaid pindmist kihti, on tiiva kogu võrgustiku töö mikroskoobi all korraga nähtav.

Samuti on tehislikke liblikatiibu võrdlemisi lihtne 3D-printida, sest vedelik liigub tiivas vaid ühel tasandil. Nõnda võimaldavad tehislikud liblikatiivad robootikutel jäljendada vereringet ja uurida selle mitmekülgseid omadusi.

Vereringe üks tähtsamaid rolle on toitainete ja ehituskivide transport. Need on molekulid, mille abil organism end toidab ja keha hooldab. Tänapäeva robotitel sellist taristut enamasti pole. Roboti keha on üldiselt valmis siis, kui see tehasest välja tuleb, ja kogu hilisem kohanemispotentsiaal peab mahtuma tarkvarasse ning juba olemasolevasse riistvarasse.

Lisaks saavad robootikateadlase tehistiivaga hõlpsasti katseid teha. Bioloogilises tiivas oleks see ebamõistlik ja ebaeetiline. Näiteks saab tehistiiva kanalites panna ringlema vedelikke, mille koostis erineb täielikult bioloogilisest hemolümfist. Vee asemel võib kasutada ka orgaanilist lahustit, sest robotkeha materjali saab valida vastavalt vedelikule ja vastupidi. Orgaaniline lahusti võimaldab omakorda transportida teistsuguseid ehituskive. Kuna vedelik kannab keha ehitamiseks vajalikku ainest, nimetame seda koostisvedelikuks.

Putukatiibu uurides täiendavad robootikud seega teadmisi nii bioloogilise vereringe toimimisest kui ka loovad uusi tehnoloogiaid, mis ei pruugi tiiva või lendamisega isegi seotud olla. 

Kohanemine uue meeleorgani abil

Meie küsimus oli, mis juhtub siis, kui anname robotile vereringe taristu ega piirdu seejuures sellega, mis on organismides tavaliselt võimalik. Tahtsime vereringe abil mitte ainult olemasolevat keha hooldada, vaid luua selle sisse ka midagi täiesti uut. Prinditud tehislik liblikatiib pakkus selleks sobiliku platvormi. Tehislikku tiiba suunatud koostisvedelikust tekkis meeleorgan, mida tiivas printimise hetkel polnud. Me ei kinnitanud uut meeleorganit keha külge, vaid see tekkis olemasoleva materjali sees, ilma et keha väliskuju muutuks. 

Keerulises keskkonnas töötava roboti külge pole uusi seadmeid tihti mõistlik ega võimalik kruvida või liimida. Meie katse tõestab, et roboti kehasse saab lisada uusi füüsilisi komponente otse olemasoleva materjali sisse, säilitades samal ajal senise keha. Nimetame seda retseptogeneesiks ehk retseptori loomeks.

Kuidas retseptor siis tekib? Ringlev koostisvedelik kannab ehitusainet – pürrooli molekule koos valgustundliku initsiaatoriga – ühtlaselt üle kogu keha, nii et iga koht saab ettevalmistatud. Seejärel langeb teatud piirkonnale ultraviolettvalgus ja läbipaistev plast muutub tumedaks. Tume laik on äsja valguse abil sünteesitud polüpürrool, mis juhib UV-valguse käes elektrit teisiti kui ümbritsev plast. Meeleorgan ongi valmis.

Valminud organ on tundlik UV-valgusele. Seega on ka kohanemine kahetine. Esiteks tekib meeleorgan ettevalmistatud kehas sinna, kus valgus on piisavalt tugev, et käivitada süntees, jättes nõnda kehale jälje tol hetkel valitsenud keskkonnatingimustest. Teiseks areneb meeleorgan oma elutsükli jooksul edasi. Kui robot hiljem töö käigus uuesti piisavalt võimsa UV-valguse kätte satub, jätkub polüpürrooli süntees ja roboti meeleorgan muutub üha tundlikumaks. 

Võrreldes tänapäeva robotitel kasutatavate sensoritega on ajas muutuva tundlikkusega tehisretseptor põhimõtteliselt erinev. Moodsate sensorite tundlikkus on tehases rangelt paika krutitud ja nende headust hinnatakse ajalise stabiilsuse järgi. Meie loodud tehisretseptori signaalis põimub aga keskkonnatingimuste info roboti varasema kogemusega. 

Roboti kohanemiseks peab tema kehas ringlema sobiv koostisvedelik, kuid uue kehaosa tekke käivitavad keskkonnatingimused. Meie katses tekkis meeleelund, mille elektritakistus valguse mõjul muutus. Selle muutuse registreeris roboti mikrokontroller, mis süütas punase valgusdioodi ja pani nitinooltraadi kuumenema. Traat tõmbus kokku ning liigutas tiibu kokku ja tagasi lahti.

Uus meeleelund tekkis just seal ja siis, kui ettevalmistatud robotkeha sattus sobivatesse keskkonnatingimustesse. Seejuures ei pea retseptori teket käivitama ega pruugi sellest isegi teada saada roboti keskne juhtseade. Retseptorilt tulevat infot saab kasutada ka kohapeal, näiteks tiiva sees. Keskseadmele jääb siiski oluline ülesanne: valmistada ette keha sobiva koostisvedelikuga. See võimaldabki uuel meeleelundil tekkida, samas kui vedelikus sisalduvad ehituskivid määravad selle omadused.

Keemia kui riistvara

Keemia on disainivalik. Kunstvereringe kannab edasi põhimõtteliselt kõike, mis vedelikus lahustub või selles hõljub. Iga uus lähteaine võib tähendada uut võimalikku organit ning seega ka latentset ehk veel avaldumata kehalist võimekust. Nõnda pole UV-tundlikkus mitte piir, vaid näide. 

Tulevikus võiksid endale vajaduspõhise keha kasvatada näiteks nii loodust uurivad seirerobotid kui ka varingus töötavad päästerobotid. Nende masinate töökeskkonda pole võimalik lõpuni ette näha ning nende keha ei saa seetõttu kõigi vajalike omadustega ette varustada.

Laiemalt avab meie robotliblikas tee ressursiteadlikule robootikale, mis ehitab täpselt seda, mida olukord nõuab, sinna, kuhu vaja ning siis, kui roboti keha ise nii soovib.

Tulemused avaldati ajakirjas Advanced Science.

Loe allikast edasi