W ramach dużego postępu w robotyce po raz pierwszy pomyślnie zaprojektowano robota z „miękkimi” ludzkimi mięśniami. Takie miękkie roboty mogą w przyszłości być dobrodziejstwem dla zaprojektowania robotów przyjaznych człowiekowi.
Roboty to programowalne maszyny, które są rutynowo używane w zastosowaniach przemysłowych, na przykład jako część automatyzacji, zwłaszcza w produkcji, ponieważ zostały zaprojektowane tak, aby dobrze radziły sobie z powtarzalnymi zadaniami, które wymagają dużej siły i mocy. roboty wchodzą w interakcję ze światem fizycznym za pośrednictwem znajdujących się w nich czujników i siłowników. Można je przeprogramowywać, co czyni je bardziej użytecznymi i elastycznymi niż zwykłe maszyny jednofunkcyjne. Ze sposobu, w jaki te roboty są zaprojektowane do wykonywania tej pracy, jasno wynika, że ich ruchy są niezwykle sztywne, czasami gwałtowne, przypominające maszyny, są ciężkie, imponujące i nie są przydatne, gdy określone zadanie wymaga zmiennej ilości siły w różnym czasie zwrotnica. Roboty są również czasami niebezpieczne i mogą wymagać bezpiecznych obudów, ponieważ nie są wrażliwe na otoczenie. Dziedzina robotyki bada różnorodne dyscypliny w celu projektowania, budowania, programowania i wydajnego użytkowania maszyn robotycznych w różnych obszarach przemysłu i technologii medycznej o różnych wymaganiach.
W niedawnych badaniach bliźniaczych prowadzonych pod kierunkiem Christopha Keplingera naukowcy wyposażyli roboty w nową klasę mięśni, które są bardzo podobne do naszych ludzkich mięśni, a ponadto posiadają i przekazują siłę i wrażliwość tak samo jak my. Główną ideą jest zapewnienie większej liczby „naturalny”ruchy do maszyny, czyli roboty. 99.9 procent wszystkich dzisiejszych robotów to sztywne maszyny wykonane ze stali lub metalu, podczas gdy ciało biologiczne jest miękkie, ale ma niesamowite możliwości. Te roboty z „miękkimi” lub „bardziej rzeczywistymi” mięśniami można odpowiednio zaprojektować do wykonywania rutynowych i delikatnych zadań (które na co dzień wykonują ludzkie mięśnie), na przykład zbierania miękkich owoców lub umieszczania jajka w koszyku. W porównaniu do tradycyjnych robotów, roboty wyposażone wsztuczne mięśnieBędą jak „miękkie” wersje samych siebie i bezpieczniejsze, a następnie można je dostosować do wykonywania prawie każdego zadania w pobliżu ludzi, sugerując kilka możliwych zastosowań związanych z życiem ludzkim i wokół niego. Roboty miękkie można by nazwać robotami „współpracującymi”, ponieważ będą one unikalnie zaprojektowane do wykonywania określonego zadania w bardzo podobny sposób jak człowiek.
Naukowcy próbowali stworzyć roboty do mięśni miękkich. Taki robot będzie wymagał soft mięsień technologię podszywającą się pod ludzkie mięśnie i dwie takie technologie zostały wypróbowane przez naukowców – siłowniki pneumatyczne i siłowniki z elastomeru dielektrycznego. „Siłownik” definiuje się jako rzeczywiste urządzenie, które porusza robotem lub robot pokazuje określony ruch. W siłownikach pneumatycznych do miękkiego woreczka pompowane są gazy lub płyny w celu wywołania określonego ruchu. Jest to prosta konstrukcja, ale nadal wydajna, chociaż pompy są niepraktyczne i mają duże zbiorniki. Druga technologia – siłowniki z elastomeru dielektrycznego wykorzystują koncepcję przykładania pola elektrycznego na izolujący, elastyczny plastik w celu jego odkształcenia, a tym samym wywołania ruchu. Te dwie technologie same w sobie nie odniosły jeszcze sukcesu, ponieważ gdy piorun prądu przechodzi przez plastik, urządzenia te zawodzą marnie i przez to nie są odporne na uszkodzenia mechaniczne.
Więcej "człowiek jak” roboty z podobnymi mięśniami
W badaniach bliźniąt zgłoszonych w nauka1 i Nauka Robotyka2, naukowcy wzięli pod uwagę pozytywne aspekty dwóch dostępnych technologii mięśni miękkich i stworzyli prosty, przypominający mięśnie miękki siłownik, który wykorzystuje energię elektryczną do zmiany ruchu płynów w małych woreczkach. Te elastyczne woreczki polimerowe zawierają płyn izolujący, na przykład zwykły olej (olej roślinny lub olej rzepakowy) z supermarketu lub dowolny podobny płyn. Po przyłożeniu napięcia między hydrożelowymi elektrodami umieszczonymi między dwoma bokami woreczka, boki zostały przyciągnięte do siebie, dochodzi do skurczu oleju, ściskającego w nim płyn i powodującego jego przepływ wewnątrz woreczka. To napięcie powoduje sztuczne skurcze mięśni, a po odcięciu prądu olej ponownie się rozluźnia, imitując sztuczny rozluźnienie mięśni. Siłownik zmienia w ten sposób kształt, a obiekt, który jest połączony z siłownikiem, wykazuje ruch. Dlatego ten „sztuczny mięsień” kurczy się i uwalnia (zgina się) natychmiast w ciągu milisekund w ten sam sposób, z taką samą precyzją i siłą, jak prawdziwe ludzkie mięśnie szkieletowe. Te ruchy mogą nawet pobić szybkość reakcji mięśni ludzkich, ponieważ ludzkie mięśnie jednocześnie komunikują się z mózgiem, powodując opóźnienie, choć niezauważalne. Dlatego dzięki temu projektowi uzyskano system płynów, który miał bezpośrednie sterowanie elektryczne, wykazując wszechstronność i wysoką wydajność.
W pierwszym badaniu1 in nauka, siłowniki zostały zaprojektowane w kształcie pączka i miały zdolność i zręczność chwytania i przytrzymywania maliny przez automatyczny chwytak (i nie eksplodowania owocu!). Możliwe uszkodzenia, które zostały wyrządzone przez piorun prądu po przejściu przez ciecz izolacyjną (główny problem z wcześniej zaprojektowanymi siłownikami), zostały również rozwiązane w obecnym projekcie, a wszelkie uszkodzenia elektryczne zostały natychmiast naprawione lub naprawione przez nowe przepływ cieczy do „uszkodzonej” części poprzez prosty proces redystrybucji. Wynikało to z zastosowania materiału płynnego, który jest bardziej sprężysty, w miejsce stałej warstwy izolacyjnej stosowanej w wielu poprzednich konstrukcjach i która ulega natychmiastowemu uszkodzeniu. W tym procesie sztuczny mięsień przetrwał ponad milion cykli skurczowych. Ten szczególny siłownik, mający kształt pączka, był w stanie z łatwością zrywać malinę. Podobnie, dostosowując kształt tych elastycznych woreczków, naukowcy stworzyli szeroką gamę siłowników o unikalnych ruchach, na przykład podnoszące delikatne jajko z precyzją i dokładnie wymaganą siłą. Te elastyczne mięśnie zostały nazwane „hydraulicznie wzmacnianymi, samonaprawiającymi się elektrostatycznymi siłownikami” lub siłownikami HASEL. W drugim badaniu2 opublikowane w Robotics Nauki, ten sam zespół stworzył ponadto dwa inne projekty mięśni miękkich, które kurczą się liniowo, bardzo podobnie do ludzkiego bicepsa, dzięki czemu mają zdolność wielokrotnego podnoszenia przedmiotów cięższych niż ich własna masa.
Ogólna opinia jest taka, że skoro roboty są maszynami, to z pewnością muszą mieć przewagę nad ludźmi, ale jeśli chodzi o zdumiewające zdolności, jakie dają nam nasze mięśnie, można po prostu powiedzieć, że roboty bledną w porównaniu z nimi. Ludzki mięsień jest niezwykle potężny, a nasz mózg ma niezwykłą kontrolę nad naszymi mięśniami. Z tego powodu mięśnie ludzkie są w stanie wykonywać z precyzją skomplikowane zadania, np. pisanie. Nasze mięśnie wielokrotnie kurczą się i rozluźniają podczas wykonywania ciężkiego zadania i mówi się, że faktycznie wykorzystujemy tylko około 65 procent możliwości naszych mięśni, a ten limit jest ustalany głównie przez nasze myślenie. Gdybyśmy mogli wyobrazić sobie robota, który ma miękkie mięśnie podobne do ludzkich, siła i możliwości byłyby ogromne. Badania te są postrzegane jako pierwszy krok do opracowania siłownika, który pewnego dnia może osiągnąć ogromne możliwości prawdziwych mięśni biologicznych.
Ekonomiczna „miękka” robotyka
Autorzy twierdzą, że materiały takie jak polimerowe woreczki na chipsy ziemniaczane, olej, a nawet elektrody są niedrogie i łatwo dostępne, kosztując zaledwie 0.9 USD (lub 10 centów). Stanowi to zachętę dla obecnych przemysłowych jednostek produkcyjnych i naukowców do pogłębiania swojej wiedzy. Materiały, które są tanie, są skalowalne i kompatybilne z obecnymi praktykami branżowymi, a takie urządzenia mogą być używane do wielu zastosowań, takich jak urządzenia protetyczne lub jako towarzysz człowieka. Jest to szczególnie interesujący aspekt, ponieważ termin robotyka jest zawsze utożsamiany z wysokimi kosztami. Wadą związaną z takim sztucznym mięśniem jest duża ilość energii elektrycznej potrzebnej do jego działania, a także istnieje ryzyko poparzenia, jeśli robot zachowa zbyt dużo mocy. Roboty miękkie są znacznie delikatniejsze niż ich tradycyjne odpowiedniki, co sprawia, że ich konstrukcja jest trudniejsza, na przykład możliwość przebicia, utraty mocy i rozlania oleju. Te miękkie roboty zdecydowanie potrzebują jakiegoś aspektu samoleczenia, jak wiele niektórych miękkich robotów już to robi.
Wydajne i solidne roboty miękkie mogą być bardzo przydatne w życiu człowieka, ponieważ mogą uzupełniać ludzi i pracować z nimi jak roboty „współpracujące”, a nie roboty, które zastępują ludzi. Również tradycyjne protezy ramion mogłyby być bardziej miękkie, przyjemne i wrażliwe. Badania te są obiecujące i jeśli uda się sprostać wysokiemu zapotrzebowaniu na moc, mogą one zrewolucjonizować przyszłość robotów pod względem ich konstrukcji i sposobu poruszania się.
***
{Możesz przeczytać oryginalną pracę naukową, klikając link DOI podany poniżej na liście cytowanych źródeł}
Źródło (s)
1. Acome i in. 2018. Hydraulicznie wzmocnione, samonaprawiające się siłowniki elektrostatyczne o wydajności mięśniowej. Nauka. 359(6371). https://doi.org/10.1126/science.aao6139
2. Kellaris i in. 2018. Siłowniki Peano-HASEL: Mimetyczne przetworniki elektrohydrauliczne, które kurczą się liniowo po aktywacji. Robotics Nauki. 3 ust. 14. https://doi.org/10.1126/scirobotics.aar3276
