Robotyka inspirowana winoroślą może delikatnie podnosić ciężkie i kruche przedmioty — od szklanego wazonu po arbuz, a nawet człowieka z łóżka. Zespół badawczy z Massachusetts Institute of Technology (MIT) i Uniwersytetu Stanforda zaprezentował nowy typ miękkiego chwytaka, który nie chwyta obiektu poprzez ściskanie sztywnymi „palcami”, lecz owija go i podnosi w swego rodzaju miękkiej pętli przypominającej pas-hamak. System został opracowany, aby zmniejszyć ryzyko uszkodzenia kruchych przedmiotów oraz odciążyć opiekunów przy przemieszczaniu osób z ograniczoną mobilnością. W przeciwieństwie do klasycznych rozwiązań, tutaj kontakt rozkłada się na dużą powierzchnię, więc lokalne naciski są niskie, a tym samym możliwość urazu lub pęknięcia minimalna.

W przeciwieństwie do klasycznych chwytaków robotycznych, które polegają na kilku punktach kontaktu i znacznych siłach ściskających, podejście „winoroślowe” zwiększa powierzchnię styku i zamienia problem chwytania w problem delikatnego owijania i wieszania. W praktyce oznacza to, że ten sam mechanizm może przejść przez wąskie otwory, przebić się przez bałagan na półce lub w pojemniku, objąć cel i — po zamknięciu pętli — bezpiecznie go podnieść bez wstrząsów i lokalnych nacisków uszkadzających powierzchnię.

Jak działa system: od otwartej do zamkniętej pętli

Podstawę stanowi solidna, ale lekka skrzynka pod ciśnieniem umieszczona obok docelowego obiektu. Z każdej skrzynki wychodzą cienkie, elastyczne rury z filmów polimerowych, które pod wpływem powietrza mechanizmem everting (wywijania) wydłużają się z wierzchołka. Rura podczas wzrostu może w kontrolowany sposób zaginać i skręcać ścieżkę, aby prześlizgnąć się pod, dookoła lub między przeszkodami. W fazie otwartej pętli robot „wyrasta” wokół obiektu lub osoby i tworzy naturalny pas. Następnie „kontynuuje wzrost” z powrotem w stronę źródła ciśnienia, gdzie wchodzi w mechaniczny zacisk (clamp), który ją fiksuje, oraz — przy pomocy wciągarki — pętla powoli się zaciska i ładunek jest podnoszony. Rezultatem jest miękkie, przypominające chustę trzymanie ze znacznie większą stabilnością niż typowy chwyt dwoma lub trzema punktami.

Taka dwustopniowa strategia — najpierw precyzyjne pozycjonowanie, następnie bezpieczne trzymanie — wykorzystuje zalety miękkich, podatnych struktur, gdy trzeba dotrzeć do celu w ciasnej przestrzeni, jak i zalety zamykania pętli, gdy potrzebne jest stabilne noszenie. Naukowcy zastosowali to podejście w dwóch skalach: mniejszej, zamontowanej na standardowym ramieniu robotycznym do manipulacji przedmiotami w magazynach lub laboratoriach, oraz większej, przeznaczonej do procedur pomocniczych w opiece, gdzie system z dwiema skrzynkami zamontowanymi na wsporniku nad głową buduje wokół osoby szeroką, wygodną pętlę.

Dlaczego jest to ważne dla opieki i rehabilitacji

Przemieszczanie pacjenta z łóżka na wózek jest jednym z najbardziej wymagających fizycznie i ryzykownych zadań opiekunów, które często wymaga dwóch osób i niesie ryzyko urazu pleców. Standardowe rozwiązania wykorzystują sztywne podnośniki i oddzielne płócienne pasy, które ktoś musi ręcznie wsunąć pod pacjenta. Nowy robot robi to bez ręcznego „obracania na bok”: rury same się przeciskają i rozkładają obciążenie na dużym obszarze. W eksperymentalnych demonstracjach system, pod nadzorem i przy prawidłowym ustawieniu, bezpiecznie podniósł osobę z pozycji leżącej, tworząc uczucie delikatnego zawieszenia, a nie mocnego dociskania.

Dla osób starszych i osób z ograniczoną mobilnością ważny jest również komfort: miękkie ścianki rur i możliwość precyzyjnie regulowanego ciśnienia oznaczają, że podnoszenie nie tworzy twardych punktów podparcia. Oprócz tego, ponieważ rury rosną z wierzchołka i wciągają się z powrotem, system w spoczynku zajmuje bardzo mało miejsca i nie wymaga stałych domowych modyfikacji (ram nośnych, szyn itp.).

Zastosowania poza ochroną zdrowia: logistyka, przemysł i rolnictwo

Na mniejszych skalach, chwytak „winoroślowy” pokazał, że może bezpiecznie podnieść zarówno delikatne, jak i nieporęczne przedmioty: szklany wazon, arbuz, czajnik z uchwytem, wiązkę metalowych prętów lub na wpół napompowaną piłkę. Ponieważ rury mogą przecisnąć się przez zbite pudełka z towarem, chwytak służy również jako „poszukiwacz”, który najpierw chwyta poszukiwany przedmiot, a następnie zamienia go w wiszący ładunek. W magazynach i sortowniach pocztowych takie podejście może zmniejszyć potrzebę stosowania sztywnych palców lub przyssawek próżniowych, które często haczą o krawędzie lub tracą podciśnienie na porowatych powierzchniach.

W przemyśle ciężkim istnieje potencjał do zdalnego podejmowania ładunków o nieregularnym kształcie — na przykład przy automatyzacji dźwigów w portach, gdzie potrzebna jest kombinacja elastyczności przejścia i bezpieczeństwa przy noszeniu, lub przy wyciąganiu paczek z naczep bez wchodzenia pracowników do pojazdu. W rolnictwie miękka „winorośl” umożliwia zbiory z minimalnym uszkodzeniem, nawet gdy owoce są w gęstym listowiu i nieregularnie ułożone.

Podstawy techniczne: ciśnienie, materiały i sterowanie

Klucz wydajności tkwi w cienkościennych, ale wytrzymałych membranach polimerowych (np. laminaty takie jak folia TPU), które wytrzymują wielokrotne wywijanie bez zmęczenia materiału. Przy wzroście everting linia kontaktu tworzy ciągłą „wargę”, która ślizga się po podłożu i rozsuwa przeszkody nie tworząc natychmiastowych uderzeń. Sterowanie umożliwia precyzyjne dozowanie ciśnienia i prędkości wzrostu, podczas gdy dodatkowe kanały kablowe lub pneumatyczne wewnątrz ścianki zapewniają skręcanie i zginanie ścieżki. Mechaniczny zacisk (clamp) w skrzynce definiuje zamknięcie pętli, a wciągarka przejmuje statyczne obciążenie podczas podnoszenia, aby zmniejszyć zużycie powietrza.

W stosunku do klasycznych chwytaków, taki system zmniejsza potrzebę dokładnego modelowania geometrii obiektu i planowania chwytu z ograniczoną liczbą punktów kontaktowych. Zamiast tego problem sprowadza się do planowania ścieżki wzrostu (ile i gdzie rura się przeciska) i na sterowaniu naprężeniem pętli, aby uniknąć poślizgów. Stabilność jest inherentnie wysoka, ponieważ ładunek jest „w wiszącym gnieździe”, a nie na krawędzi palców.

Porównanie z innymi miękkimi chwytakami

Miękka robotyka w ostatnich latach zaoferowała kilka alternatyw dla sztywnych palców: od inspirowanych origami chwytaków „piłkowych”, które zamykają się pod ciśnieniem, do chwytaków z tzw. taśm tape-spring (sprężysto-miarowych), które owijają się wokół owoców. Te technologie mają przewagę w bezpieczeństwie kontaktu, ale często wymagają dodatkowych mechanizmów do rozszerzania lub precyzyjnych miejsc chwytu. Podejście „winoroślowe” różni się tym, że sama struktura służy i jako end-effector, i jako „pas” do noszenia: w otwartej pętli docierasz do celu, a w zamkniętej pętli przenosisz ładunek. To zmniejsza mechaniczną złożoność na końcówce ramienia oraz zwiększa odporność na nieregularną geometrię.

Jednocześnie literatura o robotach vine/„rosnących” pokazuje dojrzałość koncepcji poruszania się poprzez wzrost i zdolność nawigacji przez złożone i ciasne przestrzenie. Nowością tutaj jest integracja tej zasady z koncepcją zamykania pętli i podnoszeniem ładunku, szczególnie gdy ładunek jest kruchy lub anatomicznie wrażliwy, jak ludzkie ciało.

Bezpieczeństwo: biomechanika kontaktu i redundancja

Ponowne rozłożenie obciążenia jest kluczem do prewencji uszkodzeń skóry i tkanek miękkich. Szerokie, podatne pętle tworzą powierzchnię kontaktową porównywalną z pasami tekstylnymi, ale z przewagą zautomatyzowanego „podsuwania”. Ciśnienie powietrza może być ograniczone tak, aby maksymalny nacisk kontaktowy pozostał poniżej progu powodującego zaburzenia krążenia, podczas gdy wciągarka jest programowana na kontrolowany moment i miękkie uruchamianie. W prototypach dodano ograniczniki skoku i pasywne taśmy bezpieczeństwa, które przejmują ładunek w mało prawdopodobnym przypadku awarii, podczas gdy czujniki ciśnienia i naprężenia zapobiegają przeciążeniu.

Jeszcze jednym punktem bezpieczeństwa jest komunikacja z użytkownikiem: system może mieć prosty interfejs (np. stop/start z jasnymi wskaźnikami ciśnienia i naprężenia) oraz możliwość ręcznego przejęcia. Dla warunków szpitalnych przewiduje się integrację z istniejącymi procesami (np. podnoszenie z łóżka do fotela dziennego) wraz z walidacją według odpowiednich norm dla podnośników medycznych.

Demonstracje: od laboratorium do zastosowanych scenariuszy

W testach laboratoryjnych mniejszy system wielokrotnie chwytał przedmioty o różnorodnej sztywności i teksturze, wśród których były szklany wazon, arbuz i wiązka metalowych prętów. Podczas chwytu, rury najpierw przecisnęły się przez zbita przestrzeń (np. pełne pudełko), następnie objęły cel i uformowały stabilny „worek”. W końcowym kroku wciągarka podniosła ładunek bez oscylacji. W demonstracji opieki, większe urządzenie z dwiema skrzynkami umieszczonymi na poprzecznym wsporniku nad łóżkiem przecisnęło rury pod plecami i pod kolanami osoby, zamknęło pętlę i delikatnie podniosło ją do pozycji siedzącej, a następnie w przejście w stronę wózka inwalidzkiego. Wszystkie fazy były kontrolowane i odwracalne.

Te demonstracje potwierdzają dwie kluczowe zalety: (1) zdolność dotarcia do celu przez przeszkody i (2) zdolność bezpiecznego zawieszenia ładunku, gdy pętla jest zamknięta. Ponadto, sam mechanizm rozciągania/wciągania oznacza, że po chwycie nic sztywnego nie wystaje poza pętlę, co zmniejsza ryzyko uderzenia w otoczenie.

Otwarte pytania: regulacje, sterylność i konserwacja

Droga do szerszego zastosowania klinicznego będzie wymagać uzgodnienia z regulacjami (na przykład klasyfikacja i badania dla podnośników medycznych), rozwiązania kwestii sterylizacji lub wymiany rur jednorazowych oraz sprawdzenia wytrzymałości membran przy dużej liczbie cykli. W opiece domowej ważne są kwestie ergonomii (wymiary, poziom hałasu kompresora, prędkość procedury) i kosztu materiałów eksploatacyjnych. Projekt jest modułowy: zużywalne „skarpety” mogą być tanie i wymienne, podczas gdy skrzynka z kompresorem, zawory i wciągarka to komponenty bardziej długotrwałe.

Gdzie technologia jest dzisiaj

Koncepcja „rosnących” robotów jest szeroko udokumentowana w literaturze fachowej i w ostatnich latach została rozszerzona na drobne, milimetrowe skale i na bardziej zaawansowane sterowanie (np. elastomery ciekłokrystaliczne w „skórze” do ukierunkowywania). Zespoły z MIT i Stanforda swoje nowsze wyniki o programowaniu przekrojów i zastosowaniu do transferu pacjentów przedstawiły w 2025 roku w formie pracy naukowej i wystąpień kongresowych, przy czym podkreślili możliwość formowania szerokich, wygodnych pasów i dowód zasady, że jeden delikatny, miękki mechanizm może przejąć funkcję, która dotychczas wymagała kombinacji pracy ręcznej i sztywnej mechaniki. Mowa o badaniach, które są jeszcze w walidacji i iteracyjnym rozwoju, ale demonstracje pokazują dojrzałą podstawę do przejścia w stronę zastosowań pilotażowych w rzeczywistych środowiskach.

Potencjał do integracji z wizją i planowaniem

Chociaż demonstracje pokazują udane podnoszenia w warunkach półkontrolowanych, kolejne kroki obejmują integrację ze stereo-wizją lub kamerami głębi, które mogą „czytać” kontury ciała i otoczenia oraz planować ścieżkę wzrostu rur z minimalnym kontaktem z wrażliwymi punktami. Algorytmy mogą generować parametry wzrostu (ciśnienie, prędkość, kąt skrętu) i weryfikacyjne sprawdzenia (czy pętla rzeczywiście jest zamknięta, czy naprężenie jest w dopuszczalnych granicach). W logistyce, połączenie z systemami WMS/ERP umożliwiłoby automatyczne podejmowanie artykułów z głębokich półek z minimalnymi interwencjami operatora.

Ekonomika i zrównoważony rozwój

Koszt brutto prototypu w dużej mierze zależy od kompresora, płyty zaworowej i pakietu czujników. Część zużywalna — tuleje polimerowe — może być produkowana w rolkach laminatu przemysłowego, co ułatwia konserwację i zmniejsza odpady: zużyta tuleja jest wymieniana bez zmiany reszty systemu. Energetycznie, cykle wzrostu wymagają szczytowych przepływów powietrza, ale utrzymanie ładunku może być oszczędne, ponieważ wciągarka przejmuje statyczne obciążenie.

Co to oznacza dla projektowania miejsc pracy

W placówkach opieki, gdzie urazy mięśniowo-szkieletowe opiekunów są częste, taka technologia może być częścią szerszego pakietu środków: standaryzowanych procedur podnoszenia, szkoleń i sprzętu. W magazynach, gdzie towar często trudno dosięgnąć z głębi klatek paletowych, podejście „winoroślowe” może uzupełnić istniejące ramiona robotyczne i systemy AGV/AMR, szczególnie dla nieregularnych, śliskich lub porowatych przedmiotów.

Podsumowując trend, bez zakończenia artykułu

Robotyka, która przejmuje zasady ze świata roślin — wzrost z wierzchołka, owijanie wokół podpory i zamiana linii kontaktu w nośną pętlę — otwiera nową niszę między sztywnymi manipulatorami a tradycyjnymi podnośnikami. W segmentach, gdzie do tej pory istniał kompromis między bezpieczeństwem a produktywnością, chwytak „winoroślowy” pokazuje, że dwiema fazami (otwarta pętla dla dostępu, zamknięta pętla dla noszenia) można uzyskać i jedno, i drugie: dotarcie do celu i bezpieczne zawieszenie ładunku.