A robotika nagy előrelépéseként először sikerült olyan robotot tervezni, amely „puha” emberszerű izmokkal rendelkezik. Az ilyen puha robotok hasznosak lehetnek az emberbarát robotok tervezésében a jövőben.
A robotok olyan programozható gépek, amelyeket rutinszerűen használnak az ipari alkalmazásokban, például az automatizálás részeként, különösen a gyártásban, mivel úgy tervezték őket, hogy alkalmasak legyenek az ismétlődő, nagy erőt és teljesítményt igénylő feladatok elvégzésére. Robotok kölcsönhatásba lépnek a fizikai világgal a bennük lévő szenzorokon és aktuátorokon keresztül, és újraprogramozhatók, így hasznosabbak és rugalmasabbak, mint a rutin egyfunkciós gépek. Abból, ahogyan ezeket a robotokat a feladat elvégzésére tervezték, nyilvánvaló, hogy mozgásuk rendkívül merevek, néha rángatózósak, gépszerűek, nehézek, impozánsak, és nem hasznosak, ha egy adott feladat különböző időpontokban változó mennyiségű erőt igényel. pontokat. A robotok néha veszélyesek is, és szükségük lehet biztonságos burkolatokra, mivel nem érzékenyek a környezetükre. A robotika területe számos tudományágat kutat a robotgépek tervezésére, építésére, programozására és hatékony használatára az ipar és az orvostechnika különböző területein, eltérő követelményekkel.
A Christoph Keplinger által vezetett közelmúltbeli ikervizsgálatok során a kutatók olyan új izomosztályt állítottak fel a robotokra, amelyek nagyon hasonlítanak az emberi izmainkhoz, és ugyanolyan erővel és érzékenységgel rendelkeznek, mint mi. A központi ötlet az, hogy többet nyújtsunktermészetes” mozgásokat a géphez, azaz a robotokhoz. Manapság a robotok 99.9 százaléka merev, acélból vagy fémből készült gép, míg a biológiai test puha, de hihetetlen képességekkel rendelkezik. Ezeket a „puha” vagy „valódibb” izmokkal rendelkező robotokat megfelelően meg lehet tervezni rutin és kényes feladatok elvégzésére (amit az emberi izmok napi szinten végeznek), például pusztán egy puha gyümölcs felszedésére vagy egy tojás kosárba helyezésére. A hagyományos robotokhoz képest a 'mesterséges izmokOlyanok lesznek, mint önmaguk „puhább” változatai és biztonságosabbak, majd testreszabhatóak szinte bármilyen feladat elvégzésére emberek közelében, ami számos lehetséges alkalmazást sugall az emberi élettel kapcsolatban. A puha robotokat „együttműködő” robotoknak is nevezhetjük, mivel egyedileg úgy tervezték őket, hogy egy adott feladatot az emberhez nagyon hasonló módon hajtsanak végre.
A kutatók lágy izomrobotokat próbáltak létrehozni. Egy ilyen robothoz lágyra lesz szükség muscle technológiát az emberi izmok megszemélyesítésére, és két ilyen technológiát is kipróbáltak a kutatók – pneumatikus működtetőelemeket és dielektromos elasztomer működtetőket. A „működtető szerkezet” az a tényleges eszköz, amely a robotot mozgatja, vagy a robot egy bizonyos mozgást mutat. A pneumatikus működtetőkben egy puha tasakot gázokkal vagy folyadékokkal pumpálnak egy adott mozgás létrehozása érdekében. Ez egyszerű kialakítás, de még mindig erős, bár a szivattyúk nem praktikusak, és terjedelmes tartályokkal rendelkeznek. A második technológia – a dielektromos elasztomer szelepmozgatók azt a koncepciót használják, hogy elektromos mezőt alkalmaznak egy szigetelő rugalmas műanyagon, hogy deformálják azt, és ezáltal mozgást hoznak létre. Ez a két technológia önmagában még nem járt sikerrel, mert amikor egy elektromos áram áthalad a műanyagon, ezek az eszközök csúnyán meghibásodnak, így nem ellenállnak a mechanikai sérüléseknek.
Több "emberi mint” hasonló izomzatú robotok
A ben közölt ikervizsgálatokban Tudomány1 és a Sciences Robotika2A kutatók figyelembe vették a rendelkezésre álló két lágyizom-technológia pozitív aspektusait, és létrehoztak egy egyszerű, lágy izomszerű működtetőt, amely elektromosságot használ a folyadékok mozgásának megváltoztatására a kis tasakban. Ezek a rugalmas polimer tasakok szigetelő folyadékot tartalmaznak, például szokásos olajat (növényi olajat vagy repceolajat) a szupermarketben, vagy bármilyen hasonló folyadékot használhatunk. Miután a tasak két oldala közé helyezett hidrogél elektródák közé feszültséget kapcsoltak, az oldalak egymáshoz húzódtak, olajgörcs lép fel, ami kinyomja a benne lévő folyadékot, és körbefolyik a tasakban. Ez a feszültség mesterséges izomösszehúzódást hoz létre, és az elektromosság megszűnése után az olaj ismét ellazul, utánozva mesterséges izomlazítás. Az aktuátor ily módon megváltoztatja alakját, és az aktuátorhoz kapcsolódó tárgy mozgást mutat. Ezért ez a „mesterséges izom” azonnal, ezredmásodpercek alatt összehúzódik és felszabadul (hajlít) ugyanúgy, ugyanolyan pontossággal és erővel, mint a valódi emberi vázizmok. Ezek a mozgások még az emberi izomreakciók sebességét is meghaladhatják, mivel az emberi izmok egyidejűleg kommunikálnak az aggyal, ami késést okoz, bár észrevehetetlen. Ezért ezzel a kialakítással olyan folyadékrendszert sikerült elérni, amely közvetlen elektromos vezérléssel rendelkezik, amely sokoldalúságot és nagy teljesítményt mutat.
Az első tanulmányban1 in Tudomány, az aktuátorokat fánk alakúra tervezték, és megvolt a képességük és ügyességük, hogy egy málnát robotfogó segítségével felszedjenek és megtartsanak (és ne robbantsák fel a gyümölcsöt!). A szigetelőfolyadékon áthaladó elektromos csavar által okozott lehetséges károkat (a korábban tervezett működtetőknél komoly probléma) szintén a jelenlegi kialakításban kezelték, és az elektromos sérüléseket öngyógyította vagy azonnal kijavította az új. folyadék áramlása a „sérült” részbe egy egyszerű újraelosztási folyamaton keresztül. Ez annak tulajdonítható, hogy a sok korábbi kivitelben használt szilárd szigetelőréteg helyett folyékony anyagot használtak, amely sokkal rugalmasabb, és amely azonnal megsérült. Ebben a folyamatban a mesterséges izom több mint egymillió összehúzódási ciklust élt túl. Ez a különleges aktuátor, mivel fánk alakú, könnyen tudott málnát szedni. Hasonlóképpen, ezeknek a rugalmas tasakok formájának testreszabásával a kutatók egyedi mozgású működtetők széles skáláját alkották meg, például akár egy törékeny tojást is precízen és pontosan kívánt erővel felvesznek. Ezeket a rugalmas izmokat „Hidraulikusan erősített öngyógyító elektrosztatikus” működtetőknek vagy HASEL működtetőknek nevezték. Egy második tanulmányban2 kiadva Tudományos robotikaUgyanez a csapat további két másik lágy izom kialakítást hozott létre, amelyek lineárisan összehúzódnak, nagyon hasonlóak az emberi bicepszhez, így képesek ismételten felemelni a saját súlyuknál nehezebb tárgyakat.
A Az általános vélemény az, hogy mivel a robotok gépek, így minden bizonnyal előnyben kell részesíteni az embert, de ha az izmaink által biztosított elképesztő képességekről van szó, egyszerűen azt mondhatjuk, hogy a robotok elhalványulnak ehhez képest. Az emberi izom rendkívül erős, és agyunk rendkívüli mértékben irányítja izmainkat. Ez az oka annak, hogy az emberi izmok képesek precízen végrehajtani bonyolult feladatokat, például írást. Izmaink ismételten összehúzódnak és ellazulnak nehéz feladat végzése közben, és azt mondják, hogy valójában csak az izomzatunk 65 százalékát használjuk ki, és ezt a határt elsősorban a gondolkodásunk szabja meg. Ha el tudunk képzelni egy robotot, amelynek emberszerű lágy izmai vannak, akkor az erő és a képességek óriásiak lennének. Ezeket a tanulmányokat az első lépésnek tekintik egy olyan aktuátor kifejlesztéséhez, amely egy napon képes megvalósítani a valódi biológiai izmok hatalmas képességeit.
Költséghatékony „puha” robotika
A szerzők azt mondják, hogy az olyan anyagok, mint a burgonya chips polimer tasakok, az olaj és még az elektródák is olcsók és könnyen beszerezhetők, mindössze 0.9 USD (vagy 10 cent) költséggel. Ez biztató a jelenlegi ipari gyártóegységek és a kutatók számára, hogy bővítsék szakértelmüket. Az olcsó anyagok méretezhetők és kompatibilisek a jelenlegi iparági gyakorlattal, és az ilyen eszközök számos alkalmazáshoz használhatók, például protézisekhez vagy emberi társként. Ez különösen érdekes szempont, hiszen a robotika kifejezést mindig a magas költségekkel azonosítják. Az ilyen mesterséges izom hátránya a működéséhez szükséges nagy mennyiségű elektromosság, és fennáll az égési esély is, ha a robot túl sokat tartalékol az erejéből. A puha robotok sokkal kényesebbek, mint hagyományos robottársaik, ami nagyobb kihívást jelent a tervezésükben, például a kilyukadás, a teljesítmény elvesztése és az olaj kiömlése miatt. Ezeknek a puha robotoknak mindenképpen szükségük van valamilyen öngyógyító aspektusra, mint sok más puha robotnak.
A hatékony és robusztus puha robotok nagyon hasznosak lehetnek az emberi életben, mivel kiegészíthetik az embereket, és „együttműködő” robotokként dolgozhatnak velük, nem pedig az embereket helyettesítő robotokként. Ezenkívül a hagyományos protézis karok puhábbak, kellemesebbek és érzékenyebbek lehetnek. Ezek a tanulmányok ígéretesek, és ha sikerül leküzdeni a nagy energiaigényt, akkor az forradalmasíthatja a robotok jövőjét tervezésük és mozgásuk tekintetében.
***
{Az eredeti kutatási cikket a hivatkozott forrás(ok) listájában lent található DOI linkre kattintva olvashatja el}
Forrás (ok)
1. Acome et al. 2018. Hidraulikusan erősített öngyógyító elektrosztatikus aktuátorok izomszerű teljesítménnyel. Tudomány. 359(6371). https://doi.org/10.1126/science.aao6139
2. Kellaris et al. 2018. Peano-HASEL aktuátorok: Izomutánzó, elektrohidraulikus átalakítók, amelyek aktiváláskor lineárisan összehúzódnak. Tudományos robotika. 3. (14) bekezdése alapján. https://doi.org/10.1126/scirobotics.aar3276
