Într-un progres major în robotică, roboții cu mușchi „moi” asemănătoare oamenilor au fost proiectați cu succes pentru prima dată. Astfel de roboți moi pot fi un avantaj pentru a proiecta roboți prietenoși cu oamenii în viitor.
Roboții sunt mașini programabile care sunt utilizate în mod obișnuit în aplicații industriale, de exemplu ca parte a automatizării, în special în producție, deoarece sunt proiectați să fie buni la sarcini repetitive care necesită multă putere și putere. roboți interacționează cu lumea fizică prin intermediul senzorilor și actuatorilor din ele și sunt reprogramabile, făcându-le mai utile și mai flexibile decât mașinile de rutină cu o singură funcție. Din modul în care acești roboți sunt proiectați să facă treaba, este evident că mișcările lor sunt extrem de rigide, uneori sacadate, asemănătoare unei mașini și sunt grele, impunătoare și nu sunt utile atunci când o anumită sarcină necesită cantități variabile de forță în momente diferite. puncte. Roboții sunt, de asemenea, uneori periculoși și ar putea avea nevoie de incinte sigure, deoarece nu sunt sensibili la mediul înconjurător. Domeniul roboticii explorează o varietate de discipline pentru proiectarea, construirea, programarea și utilizarea eficientă a mașinilor robotizate în diferite domenii ale industriei și tehnologiei medicale, cu cerințe diferite.
În studii recente pe gemeni conduse de Christoph Keplinger, cercetătorii au adaptat roboților o nouă clasă de mușchi care sunt foarte asemănători cu mușchii noștri umani și care posedă și proiectează puterea și sensibilitatea la fel ca noi. Ideea centrală este de a oferi mai multe”natural” mișcări către mașină, adică roboți. 99.9% din toți roboții de astăzi sunt mașini rigide fabricate din oțel sau metal, în timp ce un corp biologic este moale, dar are capacități incredibile. Acești roboți cu mușchi „moi” sau „mai reali” pot fi proiectați în mod corespunzător pentru a îndeplini sarcini de rutină și delicate (pe care mușchii umani le îndeplinesc zilnic), de exemplu doar culegând un fruct moale sau plasând un ou într-un coș. În comparație cu roboții tradiționali, roboții echipați cu „muschii artificiali' va fi ca o versiune „mai moale” a lor și mai sigură și apoi ar putea fi personalizate pentru a îndeplini aproape orice sarcină în apropierea oamenilor, sugerând mai multe aplicații posibile asociate cu și în jurul vieții umane. Roboții moi ar putea fi numiți roboți „colaborativi”, deoarece vor fi proiectați în mod unic pentru a îndeplini o anumită sarcină într-un mod foarte similar cu un om.
Cercetătorii au încercat să creeze roboți cu mușchi moi. Un astfel de robot va necesita un moale muscular tehnologia de a interpreta mușchii umani și două astfel de tehnologii au fost încercate de cercetători – actuatoare pneumatice și actuatoare din elastomer dielectric. „Actuatorul” este definit ca dispozitivul real care mișcă robotul sau robotul arată o anumită mișcare. În actuatoarele pneumatice, o pungă moale este pompată cu gaze sau fluide pentru a crea o anumită mișcare. Acesta este un design simplu, dar totuși puternic, deși pompele nu sunt practice și au rezervoare voluminoase. A doua tehnologie – actuatoarele din elastomer dielectric utilizează conceptul de aplicare a unui câmp electric peste un plastic flexibil izolator pentru a-l deforma și a crea astfel o mișcare. Aceste două tehnologii pe cont propriu nu au avut încă succes, deoarece atunci când un șurub de electricitate trece prin plastic, aceste dispozitive se defectează lamentabil și, prin urmare, nu sunt rezistente la deteriorarea mecanică.
Mai mult "uman ca” roboți cu mușchi similari
În studiile pe gemeni raportate în Ştiinţă1 și Științe Robotica2, cercetătorii au luat aspectele pozitive ale celor două tehnologii disponibile pentru mușchii moi și au creat un actuator simplu, asemănător mușchilor moi, care folosește electricitatea pentru a modifica mișcarea lichidelor în interiorul pungilor mici. Aceste pungi flexibile din polimer conțin un lichid izolator, de exemplu un ulei obișnuit (ulei vegetal sau ulei de canola) de la supermarket, sau orice lichid similar poate fi folosit. Odată ce tensiunea a fost aplicată între electrozii de hidrogel plasați între cele două părți ale pungii, părțile laterale au fost trase una de cealaltă, are loc spasmul uleiului, stoarce lichidul în el și făcându-l să curgă în interiorul pungii. Această tensiune creează o contracție musculară artificială și odată ce electricitatea este întreruptă, uleiul se relaxează din nou, imitând o artificial relaxare musculara. Actuatorul își schimbă forma în acest mod, iar obiectul care este conectat la actuator prezintă o mișcare. Prin urmare, acest „mușchi artificial” se contractă și se eliberează (flexează) instantaneu în milisecunde în același mod și cu aceeași precizie și forță ca mușchii scheletici umani reali. Aceste mișcări pot depăși chiar viteza reacțiilor musculare umane, deoarece mușchii umani comunică concomitent cu creierul provocând o întârziere, deși neobservată. Prin urmare, prin acest design, s-a realizat un sistem de fluide care avea control electric direct prezentând versatilitate și performanță ridicată.
În primul studiu1 in Ştiinţă, actuatoarele au fost proiectate în formă de gogoașă și aveau capacitatea și dexteritatea de a ridica și ține o zmeură printr-o prindere robotică (și nu explodează fructele!). Posibilele daune care au fost provocate de un șurub de electricitate atunci când a trecut prin lichidul izolator (o problemă majoră cu actuatoarele proiectate anterior) a fost, de asemenea, luată în considerare în proiectarea actuală și orice daune electrice a fost autovindecată sau reparată instantaneu cu doar noi. curgerea lichidului în partea „deteriorată” printr-un proces simplu de redistribuire. Acest lucru a fost atribuit utilizării unui material lichid, care este mai rezistent, în locul unui strat izolator solid utilizat în multe modele anterioare și care a fost deteriorat instantaneu. În acest proces, mușchiul artificial a supraviețuit mai mult de un milion de cicluri de contracție. Acest actuator special, având formă de gogoși, a putut cu ușurință să culeagă o zmeură. În mod similar, croind forma acestor pungi elastice, cercetătorii au creat o gamă largă de dispozitive de acționare cu mișcări unice, de exemplu ridicând chiar un ou fragil cu precizie și forța exactă necesară. Acești mușchi flexibili au fost numiți actuatori „electrostatici cu auto-vindecare amplificate hidraulic” sau actuatori HASEL. Într-un al doilea studiu2 publicat în Știința roboticăAceeași echipă a creat în continuare alte două modele de mușchi moi care se contractă liniar, foarte asemănătoare cu un biceps uman, având astfel capacitatea de a ridica în mod repetat obiecte mai grele decât propria lor greutate.
A Opinia generală este că, din moment ce roboții sunt mașini, cu siguranță trebuie să aibă un avantaj față de oameni, dar, când vine vorba de abilitățile uimitoare pe care ni le oferă mușchii noștri, s-ar putea spune pur și simplu că roboții palid în comparație. Mușchiul uman este extrem de puternic, iar creierul nostru are un control extraordinar asupra mușchilor noștri. Acesta este motivul pentru care mușchii umani sunt capabili să îndeplinească sarcini complicate cu precizie, de exemplu scrisul. Mușchii noștri se contractă și se relaxează în mod repetat atunci când facem o sarcină grea și se spune că de fapt folosim doar aproximativ 65% capacitatea mușchilor noștri și această limită este stabilită în principal de gândirea noastră. Dacă ne putem imagina un robot care are mușchi moi asemănătoare oamenilor, puterea și capacitățile ar fi enorme. Aceste studii sunt văzute ca un prim pas pentru dezvoltarea unui actuator care ar putea într-o zi să atingă capacitățile enorme ale mușchilor biologici reali.
Robotică „soft” rentabilă
Autorii spun că materialele precum pungile polimerice cu chipsuri de cartofi, uleiul și chiar electrozii sunt ieftine și ușor disponibile, cu un cost de doar 0.9 USD (sau 10 cenți). Acest lucru este încurajator pentru unitățile de producție industrială actuale și pentru cercetători să-și dezvolte expertiza. Materialele fiind ieftine sunt scalabile și compatibile cu practicile actuale ale industriei și astfel de dispozitive ar putea fi utilizate pentru o serie de aplicații, cum ar fi dispozitivele protetice sau ca însoțitor uman. Acesta este un aspect deosebit de interesant, deoarece termenul de robotică este întotdeauna echivalat cu costuri ridicate. Un dezavantaj asociat cu un astfel de mușchi artificial este cantitatea mare de electricitate necesară pentru funcționarea acestuia și există, de asemenea, șanse de ardere dacă robotul își rezervă prea multă putere. Roboții moi sunt mult mai delicati decât omologii lor tradiționali, ceea ce face designul lor mai provocator, de exemplu posibilitățile de a perfora, de a pierde puterea și de a vărsa ulei. Acești roboți moi au nevoie cu siguranță de un aspect de auto-vindecare, așa cum au deja mulți roboți moi.
Roboții moi eficienți și robusti pot fi foarte utili în viețile umane, deoarece pot completa oamenii și pot lucra cu ei mai degrabă ca niște roboți „colaborativi”, decât roboți care înlocuiesc oamenii. De asemenea, brațele protetice tradiționale ar putea fi mai moi, mai plăcute și mai sensibile. Aceste studii sunt promițătoare și, dacă cererea mare de putere ar putea fi abordată, aceasta are potențialul de a revoluționa viitorul roboților în ceea ce privește designul și modul în care se mișcă.
***
{Puteți citi lucrarea originală de cercetare făcând clic pe linkul DOI de mai jos în lista surselor citate}
Sursa (s)
1. Acome și colab. 2018. Actuatoare electrostatice cu auto-vindecare amplificate hidraulic cu performanțe asemănătoare mușchilor. Ştiinţă. 359(6371). https://doi.org/10.1126/science.aao6139
2. Kellaris et al. 2018. Actuatoare Peano-HASEL: traductoare electrohidraulice, musculo-mimetice, care se contractă liniar la activare. Știința robotică. 3(14). https://doi.org/10.1126/scirobotics.aar3276
