I et stort fremskridt inden for robotteknologi er robotter med 'bløde' menneskelignende muskler blevet designet med succes for første gang. Sådanne bløde robotter kan være en velsignelse for at designe menneskevenlige robotter i fremtiden.
Robotter er programmerbare maskiner, der rutinemæssigt bruges i industrielle applikationer, for eksempel som en del af automatisering, især fremstilling, fordi de er designet til at være gode til gentagne opgaver, som kræver meget styrke og kraft. Robotter interagerer med den fysiske verden via sensorer og aktuatorer i dem, og de er omprogrammerbare, hvilket gør dem mere nyttige og fleksible end rutinemæssige enkeltfunktionsmaskiner. Det er tydeligt ud fra den måde, disse robotter er designet til at udføre arbejdet på, at deres bevægelser er ekstremt stive, nogle gange rykkede, maskinagtige, og de er tunge, påtrængende, og de er ikke nyttige, når en bestemt opgave kræver forskellige mængder kraft på forskellige tidspunkter. point. Robotter er også nogle gange farlige og kan have brug for sikre indhegninger, da de ikke er følsomme over for deres omgivelser. Robotteknologien udforsker en række forskellige discipliner for at designe, bygge, programmere og effektivt bruge robotmaskiner inden for forskellige industriområder og medicinsk teknologi med forskellige krav.
I nyere tvillingeundersøgelser ledet af Christoph Keplinger har forskere udstyret robotter med en ny klasse af muskler, som ligner vores menneskelige muskler meget, og de besidder og projicerer styrke og følsomhed ligesom vi gør. Den centrale idé er at give mere "naturlig” bevægelser til maskinen dvs. robotter. 99.9 procent af alle robotter i dag er stive maskiner lavet af stål eller metal, hvorimod en biologisk krop er blød, men har utrolige egenskaber. Disse robotter med 'bløde' eller 'mere ægte' muskler kan være passende designet til at udføre rutinemæssige og sarte opgaver (som menneskelige muskler udfører på daglig basis), for eksempel blot at samle en blød frugt op eller placere et æg i en kurv. Sammenlignet med traditionelle robotter er robotter udstyret med 'kunstige muskler' vil være som en 'blødere' version af sig selv og sikrere, og de kan derefter tilpasses til at udføre næsten enhver opgave i nærheden af mennesker, hvilket tyder på flere mulige applikationer forbundet med og omkring menneskeliv. Bløde robotter kan omtales som 'samarbejdende' robotter, da de vil være unikt designet til at udføre en bestemt opgave på en meget lignende måde som et menneske.
Forskere har forsøgt at skabe bløde muskelrobotter. Sådan en robot vil kræve en blød muskel teknologi til at efterligne de menneskelige muskler, og to sådanne teknologier er blevet afprøvet af forskere – pneumatiske aktuatorer og dielektriske elastomer aktuatorer. 'Aktuatoren' er defineret som den faktiske enhed, der bevæger robotten, eller robotten viser en bestemt bevægelse. I pneumatiske aktuatorer pumpes en blød pose med gasser eller væsker for at skabe en bestemt bevægelse. Dette er enkelt design, men stadig kraftfuldt, selvom pumperne er upraktiske, og de har voluminøse reservoirer. Den anden teknologi - dielektriske elastomer-aktuatorer bruger konceptet med at påføre et elektrisk felt på tværs af en isolerende fleksibel plast for at deformere den og dermed skabe en bevægelse. Disse to teknologier i sig selv har endnu ikke haft succes, fordi når en bolt af elektricitet passerer gennem plastikken, fejler disse enheder dybt og er derfor ikke modstandsdygtige over for mekaniske skader.
Mere "menneskelig like” robotter med lignende muskler
I tvillingeundersøgelserne rapporteret i Videnskab1 og Sciences Robotics2, tog forskere de positive aspekter af de to tilgængelige bløde muskelteknologier og skabte en simpel blød muskel-lignende aktuator, der bruger elektricitet til at ændre bevægelsen af væsker inde i små poser. Disse fleksible polymerposer indeholder en isolerende væske, f.eks. en almindelig olie (vegetabilsk olie eller rapsolie) fra supermarkedet, eller en hvilken som helst lignende væske kan bruges. Når spænding blev påført mellem hydrogelelektroderne placeret mellem de to sider af posen, blev siderne trukket til hinanden, oliekrampe finder sted, hvilket presser væsken i den og får den til at flyde rundt inde i posen. Denne spænding skaber en kunstig muskelsammentrækning, og når strømmen er afbrudt, slapper olien af igen og efterligner en kunstig muskelafspænding. Aktuatoren ændrer form på denne måde, og objektet, som er forbundet med aktuatoren, viser en bevægelse. Derfor trækker denne 'kunstige muskel' sig sammen og frigiver (flex) øjeblikkeligt på millisekunder på samme måde og med samme præcision og kraft som ægte skeletmuskler. Disse bevægelser kan endda slå hastigheden af menneskelige muskelreaktioner, fordi menneskelige muskler samtidig kommunikerer med hjernen, hvilket forårsager en forsinkelse, selvom den ikke kan mærkes. Derfor blev der gennem dette design opnået et væskesystem, som havde direkte elektrisk styring, der udviste alsidighed og høj ydeevne.
I den første undersøgelse1 in Videnskab, aktuatorer blev designet i form af en doughnut, og de havde evnen og fingerfærdigheden til at samle op og holde en hindbær gennem en robotgriber (og ikke eksplodere frugten!). Den mulige skade, som blev forårsaget af en bolt af elektricitet, når den passerede gennem den isolerende væske (et stort problem med de tidligere konstruerede aktuatorer) blev også taget hånd om i det nuværende design, og enhver elektrisk skade blev selvhelbredt eller repareret øjeblikkeligt af nye strømning af væske ind i den 'beskadigede' del gennem en simpel omfordelingsproces. Dette blev tilskrevet brugen af flydende materiale, som er mere modstandsdygtigt, i stedet for et solidt isolerende lag, der blev brugt i mange tidligere designs, og som blev beskadiget øjeblikkeligt. I denne proces overlevede den kunstige muskel mere end en million kontraktionscyklusser. Denne særlige aktuator, der var donutformet, var let i stand til at plukke en hindbær. Tilsvarende skabte forskerne ved at skræddersy formen på disse elastiske poser en bred vifte af aktuatorer med unikke bevægelser, f.eks. selv at samle et skrøbeligt æg op med præcision og nøjagtig påkrævet kraft. Disse fleksible muskler er blevet betegnet som "hydraulisk forstærkede selvhelbredende elektrostatiske" aktuatorer eller HASEL aktuatorer. I en anden undersøgelse2 offentliggjort i Science Robotics,det samme hold skabte yderligere to andre bløde muskeldesigns, der trækker sig lineært sammen, meget lig en menneskelig bicep, og har således evnen til gentagne gange at løfte genstande, der er tungere end deres egen vægt.
A Den generelle opfattelse er, at eftersom robotter er maskiner, så må de helt sikkert have et forspring i forhold til mennesker, men når det kommer til de forbløffende evner, som vores muskler giver os, kan man ganske enkelt sige, at robotter blegner i sammenligning. Den menneskelige muskel er ekstremt kraftfuld, og vores hjerne har en ekstraordinær mængde kontrol over vores muskler. Dette er grunden til, at menneskelige muskler er i stand til at udføre komplicerede opgaver med præcision, f.eks. at skrive. Vores muskler trækker sig gentagne gange sammen og slapper af, når vi udfører en tung opgave, og det siges, at vi faktisk kun bruger omkring 65 procent af vores musklers evne, og denne grænse er hovedsageligt sat af vores tænkning. Hvis vi kan forestille os en robot, der har menneskelignende bløde muskler, ville styrken og evnerne være enorme. Disse undersøgelser ses som et første skridt til at udvikle en aktuator, som en mulig dag kan opnå de enorme kapaciteter af ægte biologiske muskler.
Omkostningseffektiv 'blød' Robotics
Forfatterne siger, at materialer som kartoffelchips-polymerposer, olie og endda elektroder er billige og let tilgængelige, hvilket tager prisen til kun 0.9 USD (eller 10 cents). Dette er opmuntrende for nuværende industrielle produktionsenheder og for forskere at fremme deres ekspertise. Materialerne, der er billige, er skalerbare og kompatible med nuværende industripraksis, og sådanne enheder kan bruges til en række anvendelser som f.eks. proteser eller som en menneskelig ledsager. Dette er et særligt interessant aspekt, da begrebet robotteknologi altid sidestilles med høje omkostninger. En ulempe forbundet med en sådan kunstig muskel er den høje mængde elektricitet, der kræves til dens drift, og der er også chancer for at brænde, hvis robotten reserverer for meget af sin kraft. Bløde robotter er langt mere sarte end deres traditionelle robot-modstykker, hvilket gør deres design mere udfordrende, for eksempel muligheder for at punktere, miste kraft og spilde olien. Disse bløde robotter har absolut brug for en slags selvhelbredende aspekt, som mange nogle bløde robotter allerede gør.
Effektive og robuste bløde robotter kan være meget nyttige i menneskeliv, da de kan komplementere mennesker og arbejde med dem som "samarbejdende" robotter frem for robotter, der erstatter mennesker. Også traditionelle protesearme kunne være mere bløde, behagelige og følsomme. Disse undersøgelser er lovende, og hvis den høje efterspørgsel efter strøm kunne tackles, har den potentialet til at revolutionere fremtiden for robotter med hensyn til deres design, og hvordan de bevæger sig.
***
Kilde (r)
1. Acome et al. 2018. Hydraulisk forstærkede selvhelbredende elektrostatiske aktuatorer med muskellignende ydeevne. Videnskab. 359 (6371). https://doi.org/10.1126/science.aao6139
2. Kellaris et al. 2018. Peano-HASEL aktuatorer: Muskelmimetiske, elektrohydrauliske transducere, der trækker sig lineært sammen ved aktivering. Science Robotics. 3 (14). https://doi.org/10.1126/scirobotics.aar3276
***
