Σε μια σημαντική πρόοδο στη ρομποτική, ρομπότ με «μαλακούς» μύες που μοιάζουν με ανθρώπους σχεδιάστηκαν με επιτυχία για πρώτη φορά. Τέτοια μαλακά ρομπότ μπορούν να είναι ένα όφελος για το σχεδιασμό φιλικών προς τον άνθρωπο ρομπότ στο μέλλον.
Robots are programmable machines that are routinely used in industrial applications, example as part of automation, especially manufacturing because they are designed to be good at repetitive tasks which require a lot of strength and power. ρομπότ interact with the physical world via sensors and actuators in them and they are reprogrammable making them more useful and flexible than routine single-function machines. It is obvious from the way these robots are designed to do the job that their motions are extremely rigid, sometimes jerky, machine-like and they are heavy, imposing and they are not useful when a particular task requires variable amounts of force at different time points. Robots are also sometimes dangerous and might need secure enclosures as they are not sensitive to their surroundings. The field of robotics is exploring a variety of disciplines to design, build, program and efficiently use robotic machines in various areas of industry and medical technology with different requirements.
In recent twin studies led by Christoph Keplinger, researchers have fit robots with a new class of muscles which are very similar to our human muscles and they possess and project strength and sensitivity just like we do. The central idea is to provide more “φυσικός” movements to the machine i.e. robots. 99.9 percent of all robots today are rigid machines made out of steel or metal, whereas a biological body is soft but has incredible capabilities. These robots with ‘soft’ or ‘more real’ muscles can be suitably designed to perform routine and delicate tasks (which human muscles perform on a daily basis), for example just picking up a soft fruit or placing an egg inside a basket. Compared to traditional robots, robots fitted with ‘τεχνητοί μύεςΘα είναι σαν μια πιο «μαλακή» εκδοχή του εαυτού τους και πιο ασφαλής και στη συνέχεια θα μπορούν να προσαρμοστούν ώστε να εκτελούν σχεδόν οποιαδήποτε εργασία κοντά σε ανθρώπους, προτείνοντας πολλές πιθανές εφαρμογές που σχετίζονται με και γύρω από την ανθρώπινη ζωή. Τα μαλακά ρομπότ θα μπορούσαν να αναφέρονται ως «συνεργατικά» ρομπότ, καθώς θα είναι μοναδικά σχεδιασμένα για να εκτελούν μια συγκεκριμένη εργασία με παρόμοιο τρόπο με τον άνθρωπο.
Οι ερευνητές προσπάθησαν να δημιουργήσουν ρομπότ με μαλακούς μυς. Ένα τέτοιο ρομπότ θα απαιτήσει ένα μαλακό μυς τεχνολογία για την μίμηση των ανθρώπινων μυών και δύο τέτοιες τεχνολογίες έχουν δοκιμαστεί από ερευνητές – πνευματικοί ενεργοποιητές και διηλεκτρικοί ενεργοποιητές ελαστομερών. Ο «ενεργοποιητής» ορίζεται ως η πραγματική συσκευή που κινεί το ρομπότ ή το ρομπότ δείχνει μια συγκεκριμένη κίνηση. Στους πνευματικούς ενεργοποιητές, μια μαλακή θήκη αντλείται με αέρια ή υγρά για να δημιουργήσει μια συγκεκριμένη κίνηση. Αυτός είναι απλός σχεδιασμός, αλλά εξακολουθεί να είναι ισχυρός, αν και οι αντλίες δεν είναι πρακτικές και έχουν ογκώδεις δεξαμενές. Η δεύτερη τεχνολογία - οι ενεργοποιητές διηλεκτρικού ελαστομερούς χρησιμοποιούν την ιδέα της εφαρμογής ηλεκτρικού πεδίου σε ένα μονωτικό εύκαμπτο πλαστικό για να το παραμορφώσουν και έτσι να δημιουργήσουν μια κίνηση. Αυτές οι δύο τεχνολογίες από μόνες τους δεν ήταν ακόμη επιτυχείς γιατί όταν ένα μπουλόνι ηλεκτρικής ενέργειας περνά μέσα από το πλαστικό, αυτές οι συσκευές αποτυγχάνουν παταγωδώς και επομένως δεν είναι ανθεκτικές σε μηχανικές βλάβες.
Περισσότερο "ανθρώπινος like” robots with similar muscles
Στις δίδυμες μελέτες που αναφέρθηκαν στο Επιστήμη1 και Επιστήμη Ρομποτική2, οι ερευνητές πήραν τις θετικές πτυχές των δύο διαθέσιμων τεχνολογιών μαλακών μυών και δημιούργησαν έναν απλό ενεργοποιητή που μοιάζει με μαλακό μυ που χρησιμοποιεί ηλεκτρισμό για να αλλάξει την κίνηση των υγρών μέσα σε μικρές θήκες. Αυτές οι εύκαμπτες θήκες πολυμερών περιέχουν ένα μονωτικό υγρό, για παράδειγμα ένα κανονικό λάδι (φυτικό λάδι ή λάδι canola) από το σούπερ μάρκετ, ή οποιοδήποτε παρόμοιο υγρό μπορεί να χρησιμοποιηθεί. Μόλις εφαρμόστηκε τάση μεταξύ των ηλεκτροδίων υδρογέλης που τοποθετήθηκαν μεταξύ των δύο πλευρών του σάκου, οι πλευρές τραβήχτηκαν μεταξύ τους, λαμβάνει χώρα σπασμός λαδιού, συμπιέζοντας το υγρό σε αυτό και αναγκάζοντας το να ρέει γύρω στο εσωτερικό του σάκου. Αυτή η ένταση δημιουργεί μια τεχνητή μυϊκή σύσπαση και μόλις διακοπεί η ηλεκτρική ενέργεια, το λάδι χαλαρώνει ξανά, μιμούμενος τεχνητός μυϊκή χαλάρωση. Ο ενεργοποιητής αλλάζει σχήμα με αυτόν τον τρόπο και το αντικείμενο που είναι συνδεδεμένο με τον ενεργοποιητή δείχνει μια κίνηση. Επομένως, αυτός ο «τεχνητός μυς» συστέλλεται και απελευθερώνεται (λυγίζει) αμέσως σε χιλιοστά του δευτερολέπτου με τον ίδιο τρόπο και με την ίδια ακρίβεια και δύναμη των πραγματικών σκελετικών ανθρώπινων μυών. Αυτές οι κινήσεις μπορούν ακόμη και να νικήσουν την ταχύτητα των αντιδράσεων των ανθρώπινων μυών, επειδή οι ανθρώπινοι μύες επικοινωνούν ταυτόχρονα με τον εγκέφαλο προκαλώντας μια καθυστέρηση, αν και απαρατήρητη. Επομένως, μέσω αυτού του σχεδιασμού, επιτεύχθηκε ένα σύστημα ρευστού το οποίο είχε άμεσο ηλεκτρικό έλεγχο επιδεικνύοντας ευελιξία και υψηλή απόδοση.
Στην πρώτη μελέτη1 in Επιστήμη, οι ενεργοποιητές σχεδιάστηκαν σε σχήμα ντόνατ και είχαν την ικανότητα και την επιδεξιότητα να μαζεύουν και να συγκρατούν ένα βατόμουρο μέσω μιας ρομποτικής λαβής (και όχι να εκραγούν τα φρούτα!). Η πιθανή ζημιά που προκλήθηκε από ένα μπουλόνι ηλεκτρικού ρεύματος όταν περνούσε μέσα από το μονωτικό υγρό (ένα σημαντικό πρόβλημα με τους προηγουμένως σχεδιασμένους ενεργοποιητές) αντιμετωπίστηκε επίσης στην τρέχουσα σχεδίαση και οποιαδήποτε ηλεκτρική βλάβη αυτοθεραπεύτηκε ή επισκευάστηκε άμεσα με μόλις καινούργια ροή υγρού στο «κατεστραμμένο» μέρος μέσω μιας απλής διαδικασίας ανακατανομής. Αυτό αποδόθηκε στη χρήση υγρού υλικού, το οποίο είναι πιο ελαστικό, στη θέση ενός στερεού μονωτικού στρώματος που χρησιμοποιήθηκε σε πολλά προηγούμενα σχέδια και το οποίο καταστράφηκε αμέσως. Σε αυτή τη διαδικασία ο τεχνητός μυς επέζησε σε περισσότερους από ένα εκατομμύριο κύκλους συστολής. Ο συγκεκριμένος ενεργοποιητής, έχοντας σχήμα ντόνατ, μπορούσε εύκολα να διαλέξει ένα βατόμουρο. Ομοίως, προσαρμόζοντας το σχήμα αυτών των ελαστικών σακουλών, οι ερευνητές δημιούργησαν μια μεγάλη γκάμα ενεργοποιητών με μοναδικές κινήσεις, για παράδειγμα ακόμη και μαζεύοντας ένα εύθραυστο αυγό με ακρίβεια και ακριβή απαιτούμενη δύναμη. Αυτοί οι εύκαμπτοι μύες έχουν ονομαστεί ως «Υδραυλικά ενισχυμένοι αυτο-θεραπευόμενοι ηλεκτροστατικοί ενεργοποιητές» ή ενεργοποιητές HASEL. Σε μια δεύτερη μελέτη2 δημοσιευτηκε σε Επιστήμη Ρομποτική, η ίδια ομάδα δημιούργησε επιπλέον δύο άλλα σχέδια μαλακών μυών που συστέλλονται γραμμικά, πολύ παρόμοια με έναν ανθρώπινο δικέφαλο μυ, έχοντας έτσι την ικανότητα να σηκώνουν επανειλημμένα αντικείμενα βαρύτερα από το δικό τους βάρος.
A Η γενική άποψη είναι ότι εφόσον τα ρομπότ είναι μηχανές, άρα σίγουρα πρέπει να έχουν πλεονέκτημα έναντι των ανθρώπων, αλλά, όταν πρόκειται για τις εκπληκτικές ικανότητες που μας προσφέρουν οι μύες μας, θα μπορούσαμε απλά να πούμε ότι τα ρομπότ ωχριούν σε σύγκριση. Ο ανθρώπινος μυς είναι εξαιρετικά ισχυρός και ο εγκέφαλός μας έχει έναν εξαιρετικό έλεγχο των μυών μας. Αυτός είναι ο λόγος που οι ανθρώπινοι μύες είναι ικανοί να εκτελούν περίπλοκες εργασίες με ακρίβεια, π.χ. γραφή. Οι μύες μας συστέλλονται και χαλαρώνουν επανειλημμένα όταν κάνουμε μια βαριά εργασία και λέγεται ότι στην πραγματικότητα χρησιμοποιούμε μόνο περίπου το 65 τοις εκατό της ικανότητας των μυών μας και αυτό το όριο καθορίζεται κυρίως από τη σκέψη μας. Αν μπορούμε να φανταστούμε ένα ρομπότ που έχει μαλακούς μύες σαν τους ανθρώπους, η δύναμη και οι δυνατότητες θα ήταν τεράστιες. Αυτές οι μελέτες θεωρούνται ως το πρώτο βήμα για την ανάπτυξη ενός ενεργοποιητή που θα μπορούσε μια μέρα να επιτύχει τις τεράστιες δυνατότητες των πραγματικών βιολογικών μυών.
Οικονομική «μαλακή» ρομποτική
Οι συγγραφείς λένε ότι υλικά όπως οι θήκες πολυμερών με πατατάκια, το λάδι, ακόμη και τα ηλεκτρόδια είναι φθηνά και άμεσα διαθέσιμα, με κόστος μόνο στα 0.9 USD (ή 10 σεντς). Αυτό είναι ενθαρρυντικό για τις τρέχουσες βιομηχανικές μονάδες παραγωγής και για τους ερευνητές να προωθήσουν την τεχνογνωσία τους. Τα υλικά που είναι χαμηλού κόστους είναι επεκτάσιμα και συμβατά με τις τρέχουσες βιομηχανικές πρακτικές και τέτοιες συσκευές θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν για πολλές εφαρμογές όπως οι προσθετικές συσκευές ή ως ανθρώπινος συνοδός. Αυτή είναι μια ιδιαίτερα ενδιαφέρουσα πτυχή, καθώς ο όρος ρομποτική ταυτίζεται πάντα με υψηλό κόστος. Ένα μειονέκτημα που σχετίζεται με τέτοιους τεχνητούς μυς είναι η υψηλή ποσότητα ηλεκτρικής ενέργειας που απαιτείται για τη λειτουργία του και υπάρχουν επίσης πιθανότητες να καεί εάν το ρομπότ διατηρεί υπερβολική ισχύ. Τα μαλακά ρομπότ είναι πολύ πιο ευαίσθητα από τα παραδοσιακά αντίστοιχα ρομπότ, καθιστώντας το σχεδιασμό τους πιο προκλητικό, για παράδειγμα πιθανότητες τρυπήματος, απώλειας ισχύος και έκχυσης του λαδιού. Αυτά τα μαλακά ρομπότ χρειάζονται οπωσδήποτε κάποιου είδους πτυχή αυτοθεραπείας, όπως ήδη κάνουν πολλά μερικά μαλακά ρομπότ.
Τα αποτελεσματικά και στιβαρά μαλακά ρομπότ μπορούν να είναι πολύ χρήσιμα στις ανθρώπινες ζωές, καθώς μπορούν να συμπληρώσουν τους ανθρώπους και να λειτουργήσουν μαζί τους ως «συνεργατικά» ρομπότ και όχι ως ρομπότ που αντικαθιστούν τους ανθρώπους. Επίσης, οι παραδοσιακοί προσθετικοί βραχίονες θα μπορούσαν να είναι πιο μαλακοί, ευχάριστοι και ευαίσθητοι. Αυτές οι μελέτες είναι ελπιδοφόρες και εάν η υψηλή ζήτηση ισχύος μπορούσε να αντιμετωπιστεί, έχει τη δυνατότητα να φέρει επανάσταση στο μέλλον των ρομπότ όσον αφορά το σχεδιασμό τους και τον τρόπο με τον οποίο κινούνται.
***
{Μπορείτε να διαβάσετε την αρχική ερευνητική εργασία κάνοντας κλικ στον σύνδεσμο DOI που δίνεται παρακάτω στη λίστα των αναφερόμενων πηγών}
Πηγές)
1. Οι Acome et al. 2018. Υδραυλικά ενισχυμένοι αυτοθεραπευόμενοι ηλεκτροστατικοί ενεργοποιητές με μυϊκή απόδοση. Επιστήμη. 359(6371). https://doi.org/10.1126/science.aao6139
2. Kellaris et al. 2018. Ενεργοποιητές Peano-HASEL: Μυομιμητικοί, ηλεκτροϋδραυλικοί μετατροπείς που συστέλλονται γραμμικά κατά την ενεργοποίηση. Επιστήμη Ρομποτική. 3 (14). https://doi.org/10.1126/scirobotics.aar3276
