חכם, חזק וגמיש – התמנון הוא מודל אידאלי לרובוט רב-זרועות ומרובה כישרונות מסוג חדש לגמרי

בקיצור

  • לתמנון יש מוח וכוח מרשימים. התמנון הוא היצור חסר החוליות האינטליגנטי ביותר על פני כדור הארץ. הוא גם אמן ההסוואה וההתפתלות. הוא מסוגל לתמרן את גופו הרך אך השרירי, דרך מעברים צרים, ולהחליף את צבע עורו ואת המרקם שלו כהרף עין כדי לחמוק מטורפים.
  • בשנים האחרונות מהנדסים מנסים לחקות את יכולותיו הרבות של התמנון ולבנות רובוט בעל גוף רך שיהיה מסוגל לבצע משימות טכניות ששום רובוט יבשתי שנוצר עד כה לא יכול להתמודד עִמן.
  • אנשי מחקר כבר פיתחו תמנון רובוטי בעל ארבע רגליים שיכול לזחול ולהחליף את צבעו, ואף יצרו זרועות מלאכותיות הדומות באופן מעורר צמרמורת לזרועות של תמנון אמיתי, ונכרכות באופן אוטומטי סביב כל עצם שהן אוחזות בו. רובוטים כאלה גם יסייעו למדענים להיטיב להבין איך מתנהגים תמנונים אמיתיים בסביבת המחיה הטבעית שלהם.

 

התְּמָנוּן הוא אחד היצורים הימיים המורכבים, המוזרים והנבונים ביותר. תמנונים יכולים להשתחל דרך פתחים קטנים ממטבע של רבע דולר. הם מסוגלים להפעיל כוח של מאות קילוגרמים, להחליף את צבע עורם ואת המרקם שלו כהרף עין, ולגלות, בעזרת מוח זעיר שאינו גדול מאגוז, איך לפתוח בקבוק של גלולות שסגור בפקק מאובטח כדי להגיע למעדן סרטנים שהוטמן בו. לנוכח מגוון המיומנויות המרשים הזה, הייתה זו רק שאלה של זמן עד שמהנדסים ישאלו את עצמם: "האם נוכל לבנות רובוט שמתנהג כמו תמנון?"

"פרויקט התמנון" (OCTOPUS Integrating Project) הוא מיזם המנסה לענות על השאלה הזאת בדיוק. מדובר בשיתוף פעולה בין-לאומי ורב-מוסדי שמטרתו בניית רובוט אוטונומי לגמרי, דמוי תמנון, שיוכל לבצע משימות כמו כל רַכִּיכָה אמיתית, משימות שרובוט בעל מפרקים קשיחים לא יוכל לבצע לעולם.

תמונת תמנון רובוטי.קרדיט: ריינהארד האנגר | Scientific American
קרדיט: ריינהארד האנגר

ססיליה לַסקי, חוקרת בתחום הביו-רובוטיקה בבית הספר ללימודים מתקדמים סנט אנה בפיזה שבאיטליה, היא מתאמת העבודה של הפרויקט. לסקי ועמיתיה למחקר השלימו כבר ב-2010 בניית אב-טיפוס של זרוע תמנון, וכיום הם בונים את הגוף כולו, מראש התמנון עד לקצות זרועותיו. הם מנסים ליצור רובוט שינוע כפי שתמנון נע מתחת לפני המים ושיוכל לתמרן, כמוהו, דרך מעברים צרים. רובוט כזה יהיה בעל ערך רב במשימות חיפוש והצלה וגם במשימות מחקר. אך המטרה המלהיבה ביותר של הפרויקט היא, אולי, להוכיח שאפשר ליצור רובוט שגופו רך כולו.

ביקרתי אצל לסקי ועמיתיה במעבדה שלהם בליבורנו, המצויה במרחק נסיעה קצר ברכבת מפיזה. אחת החוקרות בצוות שלה, דוקטורית לביו-רובוטיקה, לאורה מַרגֶרי שמה, הוליכה אותי למתקן קטן השוכן לחוף הים. דלתותיו היו פתוחות לרווחה, ודרכן חדר משב רוח קל מן הים הליגורי ונשקף נוף המפרץ והספינות העוגנות בו. סטודנטים לתואר שני, דוקטורנטים ופוסט-דוקטורנטים, היו רכונים על עמדות המחשב שלהם ועוסקים בשיפור אבות-טיפוס. במרכז המתקן ניצב מכל גדול ובו מי ים מלוחים, סלעים, כוכבי ים ותמנון אחד, זקן, אך עדיין פעיל. צוות המחקר העניק לו את השם אנדרינו (כמחווה לאחד מחברי הצוות לשעבר, שלכד אותו).

מרגרי בוחנת את יכולותיו הטבעיות של התמנון במטרה לחקותן ברובוטים. היא תכננה כמה ניסויים מתוחכמים כדי לגלות עד היכן יכולים תמנונים למתוח את זרועותיהם השריריות, בעלות השלד ההידרוסטטי. באחד הניסויים האלה, השתמש התמנון באחת מזרועותיו הארוכות כדי לשלוף מאכל טעים שהונח בתוך צינור ארוך, פעולה שלמד אחרי חמישה מפגשי אימון שנפרסו על פני יומיים. בכל פעם, הניחה מרגרי את המעדן רחוק יותר בתוך הצינור ומדדה עד כמה התמנון יכול למתוח את זרועותיו דמויות האצבעות. מתברר שהתמנון יכול למתוח את זרועותיו עד פי שניים לערך מאורכן המקורי, אתגר הנדסי לא פשוט, לכל הדעות.

לעומדת בראש פרויקט התמנון רקע ברובוטיקה שגרתית יותר דווקא. "אני רגילה לרובוטים בעלי מפרקים קשיחים," הסבירה לסקי. לאחר שעבדה עם מדענים העוסקים בחקר המוח ולמדה הרבה על המוח האנושי ועל האופן שבו אנחנו מניעים את גופנו, המבנה המסורתי הקשיח המאפיין רובוטים והיעדר מבנים המדמים שרירים ברובוטים שנבנו עד היום עוררו בה תחושת תסכול. וכך הגתה, יחד עם עוד כמה שותפים לדרך מתחום מדעי החיים, פרויקט חדשני ונועז של בניית רובוט בעל גוף רך. ואיזה יצור חי הוא המודל המתאים ביותר למטרה זו, אם לא התמנון? לדבריה, "בכל המערכות הביולוגיות יש חומר רך, אך ייחודו של התמנון בכך שגופו עשוי אך ורק חומר רך" (למעט, כמובן, האיבר דמוי המקור). "בחרנו בו כמקרה קיצוני בטווח היצורים החיים. ואם נחקור את הקצה הזה של הטווח, נוכל לפתור כל בעיה לאורכו." בהשראת מודל התמנון, פיתחה קבוצת אנשי מחקר מאוניברסיטת הרווארד רובוט בעל ארבע רגליים שיכול להתקדם בצעדים קטנים ביבשה ואף להחליף את צבעו (באִטיות) לשם הסוואה. ואולם, הוא עדיין מחובר למשאבות אוויר ונוזלים ותלוי בבקרים חיצוניים המנחים אותו בתנועתו.

במטרה לחקות את התמנון באופן מוצלח יותר, חקר הצוות של לסקי את בעל החיים הזה, החל במבנה הפנימי שלו וכלה באופן שבו הוא מניע את גופו. לשם כך נעזרו חברי הצוות בטכנולוגיית אולטרסאונד שאפשרה להם הצצה נדירה לתוך זרוע התמנון, ובכלל זה השרירים המפעילים אותה, תוך כדי תנועה. נקודת מבט ייחודית זו סייעה להבהיר "את סוד התנועה של זרוע התמנון," אמר מתיאו צ'יאנקֶטי, מומחה לביו-רובוטיקה וחבר בצוות המעבדה של לסקי, שהצטרף לשיחה. בהיעדר שלד קשיח, שלוש קבוצות של שרירים מעניקות לזרוע את גמישותה ואת המבנה שלה, וכך מאפשרות לה לשנות כיוון, אורך ואף קַשְׁיוּת. כדי לדמות את שרירי הזרוע, החוקרים משתמשים בכבלים ובקפיצים העשויים סגסוגות זוכרות-צורה, המתעקמות כשמחממים אותן בזרם חשמלי וחוזרות לאחר מכן לצורתן המקורית.

אם כי שרירי הזרוע עצמם יכולים להתארך הרבה יותר מאורכם הרגיל, תעלת העצבים המרכזית בכל אחת מזרועות התמנון נעדרת יכולת התארכות. במקום זאת, כל צרור עצבים מקופל בתצורת זיגזג, בדומה לאקורדיון, כך שהוא יכול להיפתח כשהזרוע מתארכת. בניסיון לדמות את מבנה הזרוע של התמנון, מרגרי וחברי הצוות שלה אורזים את חוטי החשמל בתבנית גלית לאורך מרכז הזרוע הרובוטית.

צ'יאנקטי הראה לי את אחד מאבות הטיפוס, בעל מעטה מפולימר מבוסס סיליקון בגוון אפרפר חולני. כשמשך בכמה חוטים, התפתלה הזרוע לצורת סליל. הושטתי את אצבעי, והזרוע נטולת הגוף כרכה את עורה הצמיגי סביב עורי בעוצמה ובקלות מטרידה. בשל צורת הזרוע, הפרופורציות שלה ו"השרירים" שהוטמעו בתוכה, היא נכרכת באופן אוטומטי סביב כל עצם שהיא אוחזת בו. "היא מתאימה את עצמה לצורת העצם באופן אוטומטי," אמר צ'יאנצ'טי. "נפלא", חשבתי לעצמי, ורעד קל עבר בי.

החוקרים משבצים בזרוע הרובוטית חיישנים בעלי יכולת חישה מישושית, והם מקווים להוסיף בעתיד גם כפתורי הצמדה, אם כי אלה לא יתפקדו בהכרח בדיוק כמו כפתורי הצמדה של תמנון חי, המצטיינים בחוזקם, אך גם בתפקודיהם הרב-תכליתיים: הם יכולים לסובב, לקפל, ואף לטעום את סביבתם. קבוצות מחקר אחרות, בהן קבוצה של פרנק גְרַאסוֹ ממכללת ברוקלין, מפתחות כפתורי הצמדה רובוטיים משוכללים מזה. ובמעבדת המחקר של צבא ארה"ב, הפועלת בשיתוף פעולה עם מדענים מגופים אחרים, כבר מדפיסים כיום במדפסת תלת-ממד כפתורי הצמדה חזקים במיוחד המופעלים באופן פרטני.

מדענים העוסקים בפיתוח רובוטים דמויי תמנון בוחרים את החומרים לבניית הרובוטים בקפידה יתרה, כדי להבטיח את עמידותם לאורך זמן בפעילות מתחת לפני המים, בלי שיחלידו. פולימר הסיליקון המשמש את צוות פרויקט התמנון הוא בעל צפיפות זהה כמעט לזו של המים, וכך גם בעל כושר ריחוף במים, ממש כמו תמנון אמיתי.

מאחר שלרובוט תת-מימי, מרשים ככל שיהיה, יש ערך תפקודי של ממש רק אם הוא יכול לנוע, כמה מחברי הצוות בוחנים צורות שונות של ניידות. מרצ'לו קַליסְטי, המתמחה אף הוא בביו-רובוטיקה, מתמקד בבעיית ההליכה של הרובוט. תמנונים אמיתיים הולכים, בדרך כלל, באמצעות הזרועות האחוריות שלהם, כשהזרועות הקדמיות משמשות אותם כדי לגשש ולחקור את סביבתם. אך בגרסה המלאכותית, רובוטיקאים עשויים להעדיף רובוט שיושיט את הזרועות הקדמיות לעבר מטרה, יצמיד אליה כמה כפתורי הצמדה וימשוך את עצמו קדימה, אסטרטגיה שתסייע לו, בעת ובעונה אחת, הן בחקירת הסביבה והן בקביעת כיוון התנועה.

סמוך לעמדת המחשב של קַליסְטי ניצבה בריכה מתנפחת קטנה מלאה במים עד למחציתה, המשמשת כדי לבחון איך הרובוט מתפקד בזחילה מתחת לפני המים ואיך הוא מבצע משימות אחרות. קַליסְטי הראה לי את אב הטיפוס שעליו עבד באותה עת, שהיה מורכב ממנועים מחומר קשיח ומכבלים קבועים, מצויד בשש זרועות בלבד ונראה עדיין פרימיטיבי למדי. אך כשהריץ קַליסְטי סרטון שתיעד את הרובוט תוך כדי תנועה, זוחל כעכביש מתחת לפני המים, הוא נראה מוזר ומפחיד. "יש בו משהו מעורר צמרמורת," הודה קַליסְטי. בשלב זה, אפשר לתכנת את הרובוט ממרכז בקרה חיצוני כך שכשנותנים לו לנוע בבריכה באופן חופשי, הוא מסוגל לאתר עצמים ולתפוס אותם בזרועותיו. ואולם, המטרה היא, בסופו של דבר, למקם את מרכז הפיקוד בתוך הרובוט (וכן להעניק לו שמונה זרועות וגוף רך לגמרי).

הזחילה היא, כמובן, רק אחת מצורות התנועה של התמנון. בעולם האמיתי, תמנונים מסוגלים לשנות את סגנון התנועה שלהם כהרף עין ולעבור, למשל, לשחייה מוּנעת-סילון כשעליהם להימלט במהירות מסכנה. בקצה האחר של המעבדה מנסה פרנצ'סקו ג'יורג'יו סֶרצ'י לבנות מערכת מלאכותית שתדמה את מערכת ההנעה הסילונית של התמנון. סילון המים שבאמצעותו תמנונים מניעים את עצמם קדימה יוצר מערבולת מים טבעתית. תמנונים אמיתיים יוצרים את סילון המים המניע אותם על ידי דחיסת הגלימה השרירית שלהם כדי לינוק מים, ופליטתם בזרם חזק דרך הפתח דמוי המשפך שבקצה הגלימה.

מדענים מנסים לפענח את דינמיקת הנוזלים של המערבולת הטבעתית, שמשמשת גם דיונונים ובעלי חיים ימיים אחרים. המטרה היא לחקות את המנגנון הביופיזיקלי שיוצר את המערבולת כדי להניע בעתיד צוללות קטנות או כלי רכב תת-מימיים אוטונומיים, אומר ג'יורג'יו סרצ'י ומוסיף שאם יצליח הצוות להתאים את סגנון התנועה התת-ימית הזאת למטרותיו, זה יהיה צעד גדול קדימה. בטכנולוגיה המצויה כיום, "הנעה בסביבה מימית היא הנעה רציפה," מסביר סרצ'י. מַדְחפים וגם סירות סילון יוצרים תנועה מתמדת. לעומת זאת, הנעה בהשראת מודל התמנון "תהיה הפעם הראשונה שבה ייעשה שימוש בהנעה סילונית לא רציפה." ויש בכך עניין לא רק בשל החידוש שבדבר. "זה באמת מעניין," הוא אומר, "משום שנִרְאֶה שהנעה כזאת יעילה במיוחד." יצירת מערבולת טבעתית יכולה לשמש להאצה יעילה ביותר של כלי רכב תת-מימיים.

אך אי אפשר למלא שק במים, סתם כך, ולכווץ אותו כדי לפלוט את המים. מנגנון ההנעה הסילונית של התמנון מורכב ומתוחכם מזה. לדברי סרצ'י, "המשימה המורכבת ביותר היא, ללא ספק, שחזור היכולת של התמנון להתכווץ אך במעט, כרוחב הגלימה, ועם זאת לשנות במידה ניכרת את הנפח הפנימי, שמועתק ממקומו. זה בוודאי אתגר לא פשוט."

התמנון עצמו מבצע את המשימה בקלות. סרצ'י החליט אפוא לא להמציא את הגלגל מחדש. במקום זאת, הוא יצר תבנית יצוקה של גלימת תמנון ובנה אותה מחדש משרף סיליקון לפי המודל היצוק. הוא הראה לי את הדגם המפורט שבנה. היו בו אפילו חללים במיקומים המקוריים של איברי התמנון, שאותם מילא סרצ'י, באופן זמני, ברכיבים אלקטרוניים. "זה מודל לא מדויק במיוחד," הוא מודה. עם זאת, תוצאות המחקר שלו צפויות לסייע לביולוגים להבין כיצד שוחים יצורים ממחלקת הראש-רגלאים (cephalopods).

בשלב הבא, על הרובוטיקאים להוסיף בִּינָה גמישה ליצירה שלהם. לצד האתגרים ההנדסיים, על לסקי ועמיתיה לפרויקט להתמודד עם בעיה ביולוגית לא פשוטה, "איך יכול יצור בעל מוח קטן יחסית לשלוט על כמות עצומה כל כך של אפשרויות תנועה ושל מידע חישתי?" המדענים עדיין לא גיבשו דעה מוסכמת בשאלה זו, אך אין בכך כדי למנוע מן המהנדסים להמשיך במאמציהם. הפתרון שלסקי מציעה מסתכם בשתי מילים: בינה גופנית. משמעות הדבר היא שכל חלק בגוף, הן של התמנון החי והן של הרובוט, שולט בעצמו, לפחות באופן חלקי.

כדי לשלוט בכל הזרועות האלה באופן מופלא כל כך, "חייבת להיות מידה רבה של בינה גופנית," אומרת לסקי. "בכל זרוע יש מספר רב של תאי עצב, והיא שולטת בחלק גדול מן התנועות, אך מדעי המוח עדיין אינם מציעים הסבר מספק לאופן שבו נעשה הדבר.

לא רק מודל מדעי שיסביר את היכולות האלה חסר. גם הרובוטיקה המסורתית אינה מצליחה להיענות לאתגר. בקרה רובוטית מבוססת באופן מסורתי על מספר סופי של תנועות נוקשות ומוגבלות. אך מה אנחנו אמורים לעשות כשמדובר בטווח אינסופי כמעט של תנועות המבוצעות על ידי איברים, או חלקים, מרובים? זוהי, כמובן, בדיוק הבעיה שבפניה ניצבים ביולוגים כשהם מתבוננים בתמנון.

בחיפוש אחר פתרונות, העלו לסקי וחברי צוות המחקר שלה רעיון ידוע מתחום האבולוציה: למידה. ממש כשם שאנחנו, כמו יצורים רבים אחרים, לרבות אלה המשתייכים למחלקת הראש-רגלאים, לומדים בראשית חיינו כיצד לשלוט בתנועות הגפיים שלנו, כך ילמדו לעשות זאת גם הרובוטים בעלי הגוף הרך. גישה זו מפתה, בין השאר משום שהיא אינה מצריכה מודלים מתמטיים ממצים. במהלך הזמן יוכל התמנון הרובוטי ללמוד כיצד להשתמש בתנועה אחת מסוימת לביצוע משימות שונות ואיך לשלב תנועות שונות כדי לטפל באתגרים מורכבים יותר. כך, אם ייתקל התמנון הרובוטי במכשול, סלע על קרקעית הים, למשל, הוא יוכל לסרוק מגוון של הוראות פעולה ידועות ושל שילובים שלהן. וברגע שימצא את התנועה או את שילוב התנועות שיאפשרו לו להתגבר על המכשול, הוא יזכור להשתמש באותן טכניקות כשייתקל במכשול דומה. במובן מסוים, הרובוט ילמד בדרך דומה לזו שבה אנחנו לומדים, ועם הזמן ייעשה "אינטליגנטי" יותר.

אך כדי ליצור רובוט אינטליגנטי, על צוות המחקר לתכנן ולבנות תחילה מערכות משוב גופני, ולשלב עוד חיישנים בזרועותיו, שתפקידם יהיה לנטר עד כמה הן התארכו או התכווצו. ייתכן שהמדענים יוכלו להשתמש בקפיצים עצמם, העשויים סגסוגות זוכרות צורה, בתור חיישנים. "אנחנו מתכננים חיישני מגע וגם סוג כלשהו של חיישני מיקום," אמרה לסקי.

למהנדסים המבקשים להפוך את התמנון, על יכולותיו המדהימות, לרובוט מצפה עדיין דרך ארוכה. לאורך הדרך, יספקו הישגיהם וכישלונותיהם גם יחד תובנות חדשות לגבי הביולוגיה של אחד מן היצורים הערמומיים ביותר החיים באוקיינוס, ובה בעת יסייעו לרובוטיקה להשתחרר ממגבלות המבנים הקשיחים והנוקשים ולאמץ צורות חכמות וגמישות הרבה יותר.

 

המאמר לקוח מתוך ספרה של קתרין הרמון קוראג' "תמנון! היצור הימי המסתורי ביותר" (Octopus!: The Most Mysterious Creature in the Sea)באדיבות ההוצאה לאור Current, מבית הוצאת פינגווין. כל הזכויות שמורות לקתרין הרמון קוראג', 2013.


לקריאה נוספת

מאמר זה פורסם בעיתון Scientific American ותורגם ונערך בידי רשת אורט ישראל

 

0 תגובות