I et stort fremskritt innen robotikk har roboter med 'myke' menneskelignende muskler blitt designet med suksess for første gang. Slike myke roboter kan være en velsignelse for å designe menneskevennlige roboter i fremtiden.
Roboter er programmerbare maskiner som rutinemessig brukes i industrielle applikasjoner, for eksempel som en del av automatisering, spesielt produksjon fordi de er designet for å være gode på repeterende oppgaver som krever mye styrke og kraft. roboter samhandle med den fysiske verden via sensorer og aktuatorer i dem, og de er omprogrammerbare, noe som gjør dem mer nyttige og fleksible enn rutinemessige enkeltfunksjonsmaskiner. Det er åpenbart fra måten disse robotene er utformet for å gjøre jobben på at bevegelsene deres er ekstremt stive, noen ganger rykkete, maskinlignende og de er tunge, imponerende og de er ikke nyttige når en bestemt oppgave krever variable mengder kraft til forskjellige tider poeng. Roboter er også noen ganger farlige og kan trenge sikre innhegninger siden de ikke er følsomme for omgivelsene. Feltet robotikk utforsker en rekke disipliner for å designe, bygge, programmere og effektivt bruke robotmaskiner i ulike industriområder og medisinsk teknologi med ulike krav.
I nyere tvillingstudier ledet av Christoph Keplinger har forskere utstyrt roboter med en ny klasse muskler som ligner veldig på våre menneskelige muskler, og de besitter og projiserer styrke og følsomhet akkurat som vi gjør. Den sentrale ideen er å gi mer "naturlig” bevegelser til maskinen dvs. roboter. 99.9 prosent av alle roboter i dag er stive maskiner laget av stål eller metall, mens en biologisk kropp er myk, men har utrolige egenskaper. Disse robotene med "myke" eller "mer ekte" muskler kan være passende designet for å utføre rutinemessige og delikate oppgaver (som menneskelige muskler utfører på daglig basis), for eksempel bare å plukke opp en myk frukt eller legge et egg i en kurv. Sammenlignet med tradisjonelle roboter er roboter utstyrt med 'kunstige muskler' vil være som en 'mykere' versjon av seg selv og tryggere, og de kan deretter tilpasses til å utføre nesten alle oppgaver i nærheten av mennesker, noe som antyder flere mulige applikasjoner knyttet til og rundt menneskeliv. Myke roboter kan refereres til som "samarbeidende" roboter, siden de vil være unikt designet for å utføre en bestemt oppgave på en veldig lik måte som et menneske.
Forskere har prøvd å lage myke muskelroboter. En slik robot vil kreve en myk muskel teknologi for å etterligne menneskelige muskler, og to slike teknologier har blitt prøvd av forskere – pneumatiske aktuatorer og dielektriske elastomeraktuatorer. "Aktuatoren" er definert som den faktiske enheten som beveger roboten, eller roboten viser en bestemt bevegelse. I pneumatiske aktuatorer pumpes en myk pose med gasser eller væsker for å skape en spesiell bevegelse. Dette er enkelt design, men fortsatt kraftig selv om pumpene er upraktiske og de har store reservoarer. Den andre teknologien – dielektriske elastomeraktuatorer bruker konseptet med å påføre et elektrisk felt over en isolerende fleksibel plast for å deformere den og dermed skape en bevegelse. Disse to teknologiene alene har ennå ikke vært vellykket, fordi når en bolt med elektrisitet passerer gjennom plasten, svikter disse enhetene totalt og er dermed ikke motstandsdyktige mot mekanisk skade.
Mer "menneskelig like»-roboter med lignende muskler
I tvillingstudiene rapportert i Vitenskap1 og Vitenskap Robotics2, tok forskere de positive aspektene ved de to tilgjengelige myke muskelteknologiene og skapte en enkel myk muskellignende aktuator som bruker elektrisitet til å endre bevegelsen av væsker inne i små poser. Disse fleksible polymerposene inneholder en isolerende væske, for eksempel en vanlig olje (vegetabilsk olje eller rapsolje) fra supermarkedet, eller en hvilken som helst lignende væske kan brukes. Når spenningen ble tilført mellom hydrogelelektrodene plassert mellom de to sidene av posen, ble sidene trukket til hverandre, oljespasmer finner sted, klemmer væsken i den og får den til å strømme rundt inne i posen. Denne spenningen skaper en kunstig muskelsammentrekning, og når strømmen er kuttet, slapper oljen av igjen, og etterligner en kunstig muskelavslapning. Aktuatoren endrer form på denne måten, og objektet som er koblet til aktuatoren viser en bevegelse. Derfor trekker denne "kunstige muskelen" seg sammen og frigjør (flekser) øyeblikkelig på millisekunder på samme måte og med samme presisjon og kraft som ekte skjelettmuskler. Disse bevegelsene kan til og med slå hastigheten på menneskelige muskelreaksjoner fordi menneskelige muskler samtidig kommuniserer med hjernen og forårsaker en forsinkelse, men umerkelig. Derfor, gjennom denne designen, ble det oppnådd et væskesystem som hadde direkte elektrisk kontroll som viste allsidighet og høy ytelse.
I den første studien1 in Vitenskap, aktuatorer ble designet i form av en smultring og de hadde evnen og fingerferdigheten til å plukke opp og holde en bringebær gjennom en robotgriper (og ikke eksplodere frukten!). Den mulige skaden som ble gjort av en strømbolt når den ble ført gjennom isolasjonsvæsken (et stort problem med de tidligere utformede aktuatorene) ble også tatt hånd om i den nåværende designen, og eventuelle elektriske skader ble selvhelbredt eller reparert umiddelbart av bare nye flyt av væske inn i den "skadede" delen gjennom en enkel prosess med omfordeling. Dette ble tilskrevet bruken av flytende materiale, som er mer spenstig, i stedet for et solid isolasjonslag brukt i mange tidligere design og som ble skadet umiddelbart. I denne prosessen overlevde den kunstige muskelen mer enn en million sammentrekningssykluser. Denne spesielle aktuatoren, som var smultringformet, var lett i stand til å plukke en bringebær. På samme måte, ved å skreddersy formen på disse elastiske posene, skapte forskere et bredt spekter av aktuatorer med unike bevegelser, for eksempel ved å plukke opp et skjørt egg med presisjon og nøyaktig nødvendig kraft. Disse fleksible musklene har blitt betegnet som "hydraulisk forsterkede selvhelbredende elektrostatiske" aktuatorer, eller HASEL-aktuatorer. I en andre studie2 publisert i Science Robotics, det samme teamet skapte videre to andre myke muskeldesigner som trekker seg sammen lineært, veldig lik en menneskelig biceps, og har dermed evnen til å gjentatte ganger løfte gjenstander tyngre enn deres egen vekt.
A Den generelle oppfatningen er at siden roboter er maskiner, så må de absolutt ha et forsprang på mennesker, men når det kommer til de forbløffende evnene musklene våre gir oss, kan man ganske enkelt si at roboter blekner i sammenligning. Den menneskelige muskelen er ekstremt kraftig og hjernen vår har ekstraordinært mye kontroll over musklene våre. Dette er grunnen til at menneskelige muskler er i stand til å utføre intrikate oppgaver med presisjon, f.eks. skriving. Musklene våre trekker seg gjentatte ganger sammen og slapper av når vi gjør en tung oppgave, og det sies at vi faktisk bare bruker omtrent 65 prosent av musklenes evne, og denne grensen er hovedsakelig satt av vår tenkning. Hvis vi kan forestille oss en robot som har menneskelignende myke muskler, ville styrken og evnene vært enorme. Disse studiene blir sett på som et første skritt for å utvikle en aktuator som en mulig dag kan oppnå de enorme egenskapene til ekte biologiske muskler.
Kostnadseffektiv 'myk' robotikk
Forfatterne sier at materialer som potetgull-polymerposer, olje og til og med elektroder er rimelige og lett tilgjengelige og koster bare 0.9 USD (eller 10 cent). Dette er oppmuntrende for nåværende industrielle produksjonsenheter og for forskere å videreutvikle sin ekspertise. Materialene som er rimelige er skalerbare og kompatible med gjeldende bransjepraksis, og slike enheter kan brukes til en rekke bruksområder som proteseenheter, eller som en menneskelig følgesvenn. Dette er et spesielt interessant aspekt, siden begrepet robotikk alltid sidestilles med høye kostnader. En ulempe forbundet med slike kunstige muskler er den høye mengden elektrisitet som kreves for driften, og det er også sjanser for forbrenning hvis roboten reserverer for mye av kraften. Myke roboter er langt mer delikate enn sine tradisjonelle roboter, noe som gjør designet mer utfordrende, for eksempel mulighetene for å punktere, miste kraft og søle olje. Disse myke robotene trenger definitivt et slags selvhelbredende aspekt, som mange myke roboter allerede gjør.
Effektive og robuste myke roboter kan være svært nyttige i menneskeliv siden de kan utfylle mennesker og jobbe med dem som "samarbeidende" roboter i stedet for roboter som erstatter mennesker. Tradisjonelle armproteser kan også være mer myke, behagelige og følsomme. Disse studiene er lovende, og hvis den høye etterspørselen etter kraft kan takles, har den potensialet til å revolusjonere fremtiden til roboter når det gjelder design og hvordan de beveger seg.
***
{Du kan lese den originale forskningsoppgaven ved å klikke på DOI-lenken nedenfor i listen over siterte kilder}
Source (s)
1. Acome et al. 2018. Hydraulisk forsterkede selvhelbredende elektrostatiske aktuatorer med muskellignende ytelse. Vitenskap. 359 (6371). https://doi.org/10.1126/science.aao6139
2. Kellaris et al. 2018. Peano-HASEL aktuatorer: Muskelmimetiske, elektrohydrauliske transdusere som trekker seg lineært sammen ved aktivering. Science Robotics. 3 (14). https://doi.org/10.1126/scirobotics.aar3276
