V rámci velkého pokroku v robotice byl poprvé úspěšně navržen robot s „měkkými“ svaly podobnými lidem. Takoví měkcí roboti mohou být v budoucnu přínosem pro navrhování robotů přátelských k lidem.
Roboty jsou programovatelné stroje, které se běžně používají v průmyslových aplikacích, například jako součást automatizace, zejména ve výrobě, protože jsou navrženy tak, aby byly dobré pro opakující se úkoly, které vyžadují hodně síly a výkonu. Roboti interagují s fyzickým světem prostřednictvím senzorů a aktuátorů v nich a jsou přeprogramovatelné, díky čemuž jsou užitečnější a flexibilnější než běžné jednofunkční stroje. Ze způsobu, jakým jsou tito roboti navrženi, aby vykonávali svou práci, je zřejmé, že jejich pohyby jsou extrémně tuhé, někdy trhavé, strojové a jsou těžké, impozantní a nejsou užitečné, když konkrétní úkol vyžaduje různé množství síly v různém čase. body. Roboti jsou také někdy nebezpeční a mohou potřebovat bezpečné kryty, protože nejsou citliví na své okolí. Oblast robotiky zkoumá různé obory k navrhování, stavbě, programování a efektivnímu využívání robotických strojů v různých oblastech průmyslu a lékařské techniky s různými požadavky.
V nedávných studiích dvojčat vedených Christophem Keplingerem vědci vybavili roboty novou třídou svalů, které jsou velmi podobné našim lidským svalům a mají a promítají sílu a citlivost stejně jako my. Ústřední myšlenkou je poskytnout více „přírodní” pohyby ke stroji, tj. robotům. 99.9 procent všech dnešních robotů jsou pevné stroje vyrobené z oceli nebo kovu, zatímco biologické tělo je měkké, ale má neuvěřitelné schopnosti. Tyto roboty s „měkkými“ nebo „skutečnějšími“ svaly mohou být vhodně navrženy tak, aby prováděly rutinní a choulostivé úkoly (které lidské svaly provádějí denně), například jen sbírat měkké ovoce nebo vkládat vejce do košíku. Ve srovnání s tradičními roboty jsou roboty vybavené 'umělé svaly' budou jako 'měkčí' verze sebe samých a bezpečnější a pak by mohly být přizpůsobeny tak, aby vykonávaly téměř jakýkoli úkol v blízkosti lidí, což naznačuje několik možných aplikací spojených s lidským životem a kolem něj. Soft roboti by mohli být označováni jako „kolaborativní“ roboti, protože budou jedinečně navrženi k provádění konkrétního úkolu velmi podobným způsobem jako člověk.
Vědci se pokoušeli vytvořit roboty s měkkými svaly. Takový robot bude vyžadovat měkký sval technologie napodobující lidské svaly a dvě takové technologie byly výzkumníky vyzkoušeny – pneumatické pohony a dielektrické elastomerové pohony. „Pohon“ je definován jako skutečné zařízení, které pohybuje robotem nebo robot vykazuje určitý pohyb. U pneumatických pohonů je měkký vak čerpán plyny nebo kapalinami, aby se vytvořil určitý pohyb. Jedná se o jednoduchý design, ale stále výkonný, ačkoli čerpadla jsou nepraktická a mají objemné nádrže. Druhá technologie – dielektrické elastomerové aktuátory využívají koncept aplikace elektrického pole přes izolační pružný plast k jeho deformaci a tím k vytvoření pohybu. Tyto dvě technologie samy o sobě zatím nebyly úspěšné, protože při průchodu elektrického výboje plastem tato zařízení bídně selhávají a nejsou tak odolná vůči mechanickému poškození.
Více "člověk jako“ roboti s podobnými svaly
Ve studiích dvojčat uvedených v Věda1 a Věda Robotika2, výzkumníci vzali pozitivní aspekty dvou dostupných technologií měkkých svalů a vytvořili jednoduchý aktuátor podobný měkkým svalům, který využívá elektřinu ke změně pohybu tekutin uvnitř malých váčků. Tyto flexibilní polymerové sáčky obsahují izolační kapalinu, například běžný olej (rostlinný olej nebo řepkový olej) ze supermarketu, nebo lze použít jakoukoli podobnou kapalinu. Jakmile bylo mezi hydrogelové elektrody umístěné mezi dvěma stranami sáčku přivedeno napětí, strany se k sobě přitáhly, došlo k olejovému spasmu, který stlačil kapalinu v něm a způsobil, že proudila uvnitř sáčku. Toto napětí vytváří umělou svalovou kontrakci a jakmile je elektřina přerušena, olej se opět uvolní a napodobí an umělý uvolnění svalů. Ovladač tímto způsobem mění tvar a předmět, který je k aktuátoru připojen, vykazuje pohyb. Proto se tento „umělý sval“ stahuje a uvolňuje (flex) okamžitě v milisekundách stejným způsobem a se stejnou přesností a silou jako skutečné kosterní lidské svaly. Tyto pohyby mohou dokonce překonat rychlost lidských svalových reakcí, protože lidské svaly souběžně komunikují s mozkem, což způsobuje zpoždění, i když nepozorovatelné. Proto bylo prostřednictvím tohoto návrhu dosaženo fluidního systému, který měl přímé elektrické ovládání vykazující všestrannost a vysoký výkon.
V první studii1 in Věda, aktuátory byly navrženy ve tvaru koblihy a měly schopnost a obratnost zvednout a držet malinu pomocí robotického chapadla (a nevybuchnout ovoce!). Možné poškození způsobené výbojem elektřiny při průchodu izolační kapalinou (hlavní problém u dříve navržených ovladačů) bylo také řešeno v současném designu a jakékoli elektrické poškození bylo samočinně vyléčeno nebo opraveno pouze novým proudění kapaliny do „poškozené“ části jednoduchým procesem redistribuce. To bylo přičítáno použití tekutého materiálu, který je odolnější, namísto pevné izolační vrstvy použité v mnoha předchozích konstrukcích, která byla okamžitě poškozena. V tomto procesu umělý sval přežil více než milion kontrakčních cyklů. Tento konkrétní aktuátor ve tvaru koblihy byl snadno schopen vybrat malinu. Podobně, přizpůsobením tvaru těchto elastických váčků, výzkumníci vytvořili širokou škálu aktuátorů s jedinečnými pohyby, například i zvednutí křehkého vejce s přesností a přesnou požadovanou silou. Tyto pružné svaly byly označeny jako „hydraulicky zesílené samoléčivé elektrostatické“ pohony nebo pohony HASEL. Ve druhé studii2 Publikováno v Věda RoboticsStejný tým dále vytvořil dva další návrhy měkkých svalů, které se stahují lineárně, velmi podobné lidskému bicepsu, takže mají schopnost opakovaně zvedat předměty těžší než jejich vlastní váha.
A Obecný názor je, že roboti jsou stroje, takže musí mít určitě náskok před lidmi, ale pokud jde o úžasné schopnosti, které nám poskytují naše svaly, dalo by se jednoduše říci, že roboti ve srovnání s nimi blednou. Lidské svaly jsou extrémně silné a náš mozek má nad našimi svaly mimořádnou kontrolu. To je důvod, proč jsou lidské svaly schopny provádět složité úkoly s přesností, např. psaní. Naše svaly se při těžkém úkolu opakovaně stahují a uvolňují a říká se, že ve skutečnosti využíváme jen asi 65 procent schopností našich svalů a tuto hranici určuje především naše myšlení. Pokud si dokážeme představit robota, který má měkké svaly jako člověk, síla a schopnosti by byly obrovské. Tyto studie jsou považovány za první krok k vývoji aktuátoru, který by jednoho dne mohl dosáhnout obrovských schopností skutečných biologických svalů.
Nákladově efektivní „měkká“ robotika
Autoři říkají, že materiály jako polymerové sáčky na bramborové lupínky, olej a dokonce i elektrody jsou levné a snadno dostupné a stojí pouze 0.9 USD (nebo 10 centů). To je povzbudivé pro současné průmyslové výrobní jednotky a pro výzkumné pracovníky, aby prohloubili své odborné znalosti. Nízkonákladové materiály jsou škálovatelné a kompatibilní se současnou průmyslovou praxí a taková zařízení by mohla být použita pro řadu aplikací, jako jsou protetická zařízení nebo jako lidský společník. To je obzvláště zajímavý aspekt, protože pojem robotika je vždy spojován s vysokými náklady. Nevýhodou tohoto umělého svalu je vysoké množství elektřiny potřebné pro jeho provoz a existuje také možnost popálení, pokud si robot rezervuje příliš mnoho výkonu. Měkké roboty jsou mnohem choulostivější než jejich tradiční robotické protějšky, takže jejich konstrukce je náročnější, například možnosti propíchnutí, ztráty výkonu a rozlití oleje. Tito měkcí roboti rozhodně potřebují nějaký druh samoléčebného aspektu, jako mnoho jiných měkkých robotů.
Efektivní a robustní soft roboti mohou být velmi užiteční v lidských životech, protože mohou doplňovat lidi a pracovat s nimi jako „kolaborativní“ roboti spíše než roboti, kteří nahrazují lidi. Tradiční protetické paže by také mohly být měkčí, příjemnější a citlivější. Tyto studie jsou slibné a pokud by bylo možné čelit vysoké poptávce po energii, má potenciál způsobit revoluci v budoucnosti robotů, pokud jde o jejich konstrukci a způsob jejich pohybu.
***
{Původní výzkumný dokument si můžete přečíst kliknutím na odkaz DOI uvedený níže v seznamu citovaných zdrojů}
Zdroje)
1. Acome a kol. 2018. Hydraulicky zesílené samoopravné elektrostatické aktuátory s výkonem podobným svalům. Věda. 359 (6371). https://doi.org/10.1126/science.aao6139
2. Kellaris a kol. 2018. Pohony Peano-HASEL: Svalové mimetické elektrohydraulické převodníky, které se při aktivaci lineárně stahují. Věda Robotics. 3 (14). https://doi.org/10.1126/scirobotics.aar3276
