Robotët humbasin energjinë para se të përfundojnë punën − ushqimi i tyre mund ta ndryshojë këtë

Këto vit më parë, një robot përfundoi një gjysmëmaratonë në Pekin në pak më pak se 2 orë dhe 40 minuta. Kjo është më e ngadaltë se fituesi njerëzor, i cili regjistroi pak mbi një orë – por është ende një arritje e jashtëzakonshme. Shumë vrapues rekreativë do të ishin krenarë për atë kohë. Robotit i duhej të mbante ritmin për më shumë se 13 milje (21 kilometra).

Por nuk e bëri këtë me një karikim të vetëm. Gjatë rrugës, robotit iu desh të ndalonte dhe të shkëmbejë bateritë tri herë. Ky detaj, ndërsa mund të duket i thjeshtë për t’u vërejtur, flet shumë për një sfidë më të thellë në robotikë: energjinë.

Robotët modernë mund të lëvizin me një shkathtësi të jashtëzakonshme, duke imituar lëvizjen e kafshëve dhe duke kryer detyra komplekse me precizion mekanik. Në shumë aspekte, ata rivalizojnë biologjinë në koordinim dhe efikasitet. Por kur vjen puna te qëndrueshmëria, robotët ende mbeten të shkurtër. Ata nuk lodhen nga përpjekja – thjesht mbaron energjia.

Si një kërkues i robotikës i fokusuar në sistemet e energjisë, unë studioj këtë sfidë ngushtë. Si mund të japin kërkuesit robotëve fuqinë e qëndrueshmërisë së krijesave të gjalla – dhe pse jemi ende shumë larg këtij qëllimi? Edhe pse shumica e kërkimeve në robotikë për problemin e energjisë janë përqendruar në bateri më të mira, ekziston edhe një mundësi tjetër: Ndërtoni robotë që hanë.

Robotët lëvizin mirë por mbaron energjia

Robotët modernë janë jashtëzakonisht të mirë në lëvizje. Falë dekadave kërkimi në biomekanikë, kontrollin e motorëve dhe veprimin, makinat si Boston Dynamics’ Spot dhe Atlas mund ecin, vrapojnë dhe ngjiten me një shkathtësi që dikur dukej e paarritshme. Në disa raste, motorët e tyre janë edhe më efikas se muskujt e kafshëve.

Por endurance është një çështje tjetër. Për shembull, Spot mund të funksionojë për vetëm 90 minuta me një karikim të plotë. Pas kësaj, ai kërkon pothuajse një orë për t'u ri-karikuar. Këto kohë funksionimi janë shumë larg nga turnet prej tetë deri në 12 orë që priten nga punëtorët njerëzorë – ose endurance-i shumë-ditor i qenve të sledës.

Çështja nuk është se si lëvizë robotët – është se si ata ruajnë energjinë. Shumica e robotëve të lëvizshëm sot përdorin bateri litium-jon, të njëjtin lloj që gjendet në smartphone dhe makina elektrike. Këto bateri janë të besueshme dhe të disponueshme gjerësisht, por performanca e tyre përmirësohet ngadalë: Çdo vit, bateritë e reja litium-jon janë rreth 7% më të mira se brezi i mëparshëm. Në këtë ritëm, do të duhej një dekadë e plotë për të dyfishuar thjesht kohëzgjatjen e funksionimit të robotit.

Zogjtë dhe kafshët ruajnë energjinë në yndyrë, e cila është jashtëzakonisht e ngarkuar me energji: pothuajse 9 kilovat-orë për kilogram. Kjo është rreth 68 kWh në një qen sledë, e ngjashme me energjinë në një Tesla Model 3 të plotësisht të karikuar. Ndërkohë, bateritë litium-jon ruajnë vetëm një fraksion të kësaj, rreth 0.25 kilovat-orë për kilogram. Edhe me motorë shumë efikasë, një robot si Spot do të kishte nevojë për një bateri dhjetëra herë më të fuqishme se sa ato aktuale për të përputhur endurance-in e një qeni sledë.

Dhe ri-karikimi nuk është gjithmonë një opsion. Në zona katastrofash, fusha të largëta ose në misione me kohë të gjatë, një prizë muri ose një bateri rezervë mund të mos jenë fare të dukshme.

Në disa raste, dizajnerët e robotëve mund të shtojnë më shumë bateri. Por më shumë bateri do të thotë më shumë peshë, gjë që rrit energjinë e nevojshme për të lëvizur. Në robotët shumë të lëvizshëm, ekziston një balancë e kujdesshme midis ngarkesës, performancës dhe qëndrueshmërisë. Për Spot, për shembull, bateria tashmë përbën 16% të peshës së tij.

Disa robotë kanë përdorur panelë diellorë, dhe në teori këta mund të zgjatin kohëzgjatjen e funksionimit, veçanërisht për detyra me fuqi të ulët ose në mjedise të ndritshme dhe me diell. Por në praktikë, energjia diellore ofron shumë pak fuqi në krahasim me atë që kanë nevojë robotët e lëvizshëm për të ecur, vrapuar ose fluturuar me shpejtësi të arsyeshme. Prandaj, mbledhja e energjisë si panelët diellorë mbetet një zgjidhje niçe sot, më e përshtatshme për robotët statikë ose me fuqi shumë të ulët.

Pse është e rëndësishme

Këto nuk janë vetëm kufizime teknike. Ato përcaktojnë atë që robotët mund të bëjnë.

Një robot shpëtimi me një bateri 45-minutëshe mund të mos zgjasë mjaftueshëm për të përfunduar një kërkim. Një robot bujqësor që ndalon për t’u riçuar çdo orë nuk mund të korrë kulturat në kohë. Edhe në depo ose spitale, kohëzgjatjet e shkurtër shtojnë kompleksitet dhe kosto.

Nëse robotët duhet të luajnë role kuptimplote në shoqëri duke ndihmuar të moshuarit, duke eksploruar mjedise të rrezikshme dhe duke punuar pranë njerëzve, ata kanë nevojë për rezistencë për të qëndruar aktiv për orë, jo minuta.

Kimikat e reja të baterive si litium-azot dhe metal-ajër ofrojnë një rrugë më premtuese përpara. Këto sisteme kanë dendësi energjetike shumë më të lartë teorike sesa qelizat e sotme litium-jon. Disa afrohen niveleve të shikuara në yndyrën e kafshëve. Kur kombinohen me aktuatore që konvertojnë në mënyrë efikase energjinë elektrike nga bateria në punë mekanike, ato mund të mundësojnë robotët të përputhen ose madje të tejkalojnë rezistencën e kafshëve me yndyrë të ulët trupore. Por edhe këto bateri të gjeneratës së ardhshme kanë kufizime. Shumë prej tyre janë të vështira për t’u riçuar, degradojnë me kalimin e kohës ose përballen me pengesa inxhinierike në sistemet reale.

Ngarkimi i shpejtë mund të ndihmojë në uljen e kohës së papunësisë. Disa bateri në zhvillim mund të riçohen brenda minutave sesa orëve. Por ekzistojnë kompromise. Ngarkimi i shpejtë e vë në presion jetën e baterisë, rrit nxehtësinë dhe shpesh kërkon infrastrukturë të rëndë dhe me fuqi të lartë për ngarkim. Edhe me përmirësime, një robot me ngarkim të shpejtë ende duhet të ndalojë shpesh. Në mjedise pa akses në energjinë e rrjetit, kjo nuk zgjidh problemin kryesor të energjisë së kufizuar në bord. Prandaj, kërkuesit po eksplorojnë alternativa si “përmbushja” e robotëve me karburante metalike ose kimike – shumë si kafshët që hanë – për të shmangur kufizimet e ngarkimit elektrik në përgjithësi.

Një alternativë: Metabolizmi robotik

Në natyrë, kafshët nuk riazhdisin, ato hanë. Ushqimi shndërrohet në energji përmes tretjes, qarkullimit dhe frymëmarrjes. Yndyra ruan atë energji, gjaku e lëviz dhe muskujt e përdorin. Robotët e ardhshëm mund të ndjekin një plan të ngjashëm me metabolizmat sintetike.

Disa kërkues po ndërtojnë sisteme që lejojnë robotët “të tretin” metalin ose karburantët kimikë dhe të marrin frymë oksigjen. Për shembull, reaktorët kimikë të ngjashëm me stomakun mund të shndërrojnë materialet me energji të lartë si alumini në energji elektrike.

Kjo ndërton mbi shumë avancime në autonominë e robotëve, ku robotët mund të ndjejnë objekte në një dhomë dhe të navigojnë për t'i kapur, por këtu ata do të kapnin burime energjie.

Studiues të tjerë po zhvillojnë sisteme energjie të bazuara në lëngje që qarkullojnë si gjaku. Një shembull i hershëm, peshku robotik, e tripiloi densitetin e energjisë duke përdorur një lëng shumëfunksional në vend të një baterie standarde litium-jon. Ky ndryshim i vetëm në dizajn solli ekuivalentin e 16 vjetëve përmirësime në bateri, jo përmes kimisë së re, por përmes një qasje më të frymëzuar nga biologia. Këto sisteme mund të lejojnë robotët të funksionojnë për periudha shumë më të gjata kohore, duke nxjerrë energji nga materiale që ruajnë shumë më tepër energji sesa bateritë e sotme.

Në kafshë, sistemi i energjisë bën më shumë se vetëm siguron energji. Gjakun e ndihmon të rregullojë temperaturën, të dërgojë hormone, të luftojë infeksionet dhe të riparojë plagë. Metabolizmat sintetike mund të bëjnë të njëjtën gjë. Robotët e ardhshëm mund të menaxhojnë nxehtësinë duke përdorur lëngje qarkulluese ose të shërohen vetë duke përdorur materiale të ruajtura ose të tretura. Në vend të një pakete qendrore baterie, energjia mund të ruhet në të gjithë trupin në anë, nyje dhe komponentë të butë si indet.

Ky qasje mund të çojë në makineri që nuk janë vetëm më të gjata në jetë, por edhe më të përshtatshme, të rezistueshme dhe më të ngjashme me jetë njeriu.

Pika kryesore

Robotët e sotëm mund të fluturojnë dhe të vrapojnë si kafshët, por nuk mund të përballojnë distancën.

Trupat e tyre janë të shpejtë, mendjet po përmirësohen, por sistemet e tyre të energjisë nuk kanë arritur akoma. Nëse robotët do të punojnë pranë njeriut në mënyra të rëndësishme, ne do t'ju duhet t'u japim më shumë se vetëm inteligjencë dhe shkathtësi. Do t'u duhet t'u japim rezistencë.