У рамках великого прогресу в робототехніці вперше успішно розроблено робота з «м’якими» м’язами, схожими на людину. Такі м’які роботи можуть стати благом для створення зручних для людини роботів у майбутньому.
Роботи — це програмовані машини, які регулярно використовуються в промислових цілях, наприклад, як частина автоматизації, особливо на виробництві, оскільки вони розроблені для виконання повторюваних завдань, які потребують великої сили та потужності. роботи взаємодіють із фізичним світом за допомогою датчиків і приводів у них, і їх можна перепрограмувати, що робить їх більш корисними та гнучкими, ніж звичайні однофункціональні машини. З того, як ці роботи сконструйовані для виконання роботи, очевидно, що їхні рухи надзвичайно жорсткі, іноді різкі, схожі на машину, вони важкі, значущі та не корисні, коли конкретне завдання вимагає змінної кількості сили в різний час балів. Роботи також іноді небезпечні, і їм може знадобитися надійний захист, оскільки вони нечутливі до навколишнього середовища. Сфера робототехніки вивчає різноманітні дисципліни для проектування, створення, програмування та ефективного використання роботизованих машин у різних галузях промисловості та медичних технологій з різними вимогами.
У нещодавніх дослідженнях близнюків під керівництвом Крістофа Кеплінгера дослідники створили роботів з новим класом м’язів, які дуже схожі на наші людські м’язи, і вони володіють силою та чутливістю, як і ми. Головна ідея полягає в тому, щоб забезпечити більше "natuurlijk” руху до машини, тобто роботів. 99.9 відсотків усіх роботів сьогодні — це жорсткі машини, зроблені зі сталі або металу, тоді як біологічне тіло м’яке, але має неймовірні можливості. Ці роботи з «м’якими» або «більш реальними» м’язами можуть бути сконструйовані для виконання рутинних і делікатних завдань (які людські м’язи виконують щодня), наприклад, просто збирання м’якого фрукта або розміщення яйця в кошику. У порівнянні з традиційними роботами, роботи, оснащеніштучні м'язи’ будуть як «м’якші» версії самих себе і безпечніші, і потім їх можна буде налаштувати для виконання майже будь-яких завдань поблизу людей, пропонуючи кілька можливих застосувань, пов’язаних із людським життям. М’яких роботів можна назвати «колаборативними» роботами, оскільки вони будуть унікально розроблені для виконання конкретного завдання так само, як і люди.
Дослідники намагалися створити роботів з м’якими м’язами. Для такого робота знадобиться софт м'яз технологія імітації людських м’язів, і дослідники випробували дві такі технології – пневматичні приводи та приводи з діелектричного еластомеру. «Актуатор» визначається як фактичний пристрій, який рухає робота, або робот демонструє певний рух. У пневматичних приводах м’який мішок накачується газами або рідинами для створення певного руху. Це проста конструкція, але все ще потужна, хоча насоси непрактичні та мають громіздкі резервуари. Друга технологія – приводи з діелектричного еластомеру використовують концепцію застосування електричного поля до ізоляційного гнучкого пластику, щоб деформувати його та таким чином створювати рух. Ці дві технології самі по собі ще не були успішними, тому що, коли електричний струм проходить через пластик, ці пристрої виходять з тріском і тому нестійкі до механічних пошкоджень.
Більше "людина як” роботів зі схожими м’язами
У дослідженнях близнюків, про які повідомлялося в наука1 та Наука Робототехніка2, дослідники взяли позитивні сторони двох доступних технологій м’яких м’язів і створили простий привід, схожий на м’які м’язи, який використовує електрику, щоб змінити рух рідини всередині маленьких мішків. Ці гнучкі полімерні пакети містять ізоляційну рідину, наприклад, звичайну олію (рослинну олію або ріпакову олію) із супермаркету, або будь-яку подібну рідину. Як тільки напруга була подана між гідрогелевими електродами, розміщеними між двома сторонами мішечка, сторони були притягнуті одна до одної, виник масляний спазм, стискаючи рідину в ньому та змушуючи її текти всередині мішка. Ця напруга створює штучне скорочення м’язів, і коли електрика припиняється, масло знову розслаблюється, імітуючи штучний розслаблення м'язів. Таким чином актуатор змінює форму, а об’єкт, який з’єднаний з приводом, рухається. Таким чином, цей «штучний м’яз» скорочується та звільняється (згинається) миттєво за мілісекунди таким же чином, з такою ж точністю та силою, що й справжні скелетні м’язи людини. Ці рухи можуть навіть перевершити швидкість людських м’язових реакцій, оскільки людські м’язи одночасно спілкуються з мозком, викликаючи затримку, хоча й непомітну. Таким чином, за допомогою цієї конструкції була досягнута рідинна система, яка мала пряме електричне керування, демонструючи універсальність і високу продуктивність.
У першому дослідженні1 in наука, приводи були розроблені у формі бублика, і вони мали здатність і спритність, щоб взяти й утримувати малину за допомогою роботизованого захвату (і не вибухнути плід!). Можливе пошкодження, спричинене електричним розрядом під час проходження через ізоляційну рідину (основна проблема з приводами, розробленими раніше), також було враховано в поточній конструкції, а будь-яке електричне пошкодження самовідновлювалося або миттєво виправлялося лише новим потік рідини в «пошкоджену» частину через простий процес перерозподілу. Це пояснюється використанням рідкого матеріалу, який є більш еластичним, замість твердого ізоляційного шару, який використовувався в багатьох попередніх конструкціях і який миттєво пошкоджувався. У цьому процесі штучний м'яз витримав понад мільйон циклів скорочень. Цей особливий привод, маючи форму бублика, міг легко зірвати малину. Подібним чином, адаптувавши форму цих еластичних мішечків, дослідники створили широкий спектр приводів з унікальними рухами, наприклад, щоб навіть взяти крихке яйце з точністю та точною необхідною силою. Ці гнучкі м’язи були названі «гідравлічно посиленими самовідновлювальними електростатичними» приводами або актуаторами HASEL. У другому дослідженні2 опубліковані в Наука робототехніката ж команда створила дві інші конструкції м’яких м’язів, які скорочуються лінійно, дуже схожі на людський біцепс, таким чином маючи можливість неодноразово піднімати предмети, важчі за їх власну вагу.
Загальна думка полягає в тому, що, оскільки роботи є машинами, вони, безсумнівно, мають перевагу над людьми, але, коли йдеться про дивовижні здібності, які надають нам наші м’язи, можна просто сказати, що роботи бліді в порівнянні. М’язи людини надзвичайно потужні, і наш мозок має надзвичайну кількість контролю над нашими м’язами. Ось чому людські м’язи здатні виконувати складні завдання з точністю, наприклад, написання. Наші м’язи неодноразово скорочуються та розслабляються під час виконання важкого завдання, і кажуть, що насправді ми використовуємо лише приблизно 65 відсотків можливостей наших м’язів, і ця межа в основному встановлюється нашим мисленням. Якщо ми можемо уявити робота з людськими м’якими м’язами, сила і можливості будуть величезними. Ці дослідження розглядаються як перший крок до розробки приводу, який одного можливого дня зможе досягти величезних можливостей справжніх біологічних м’язів.
Економічна «м’яка» робототехніка
Автори стверджують, що такі матеріали, як полімерні пакети для картопляних чіпсів, олія та навіть електроди, недорогі та легкодоступні, їхня вартість становить лише 0.9 доларів США (або 10 центів). Це надихає нинішні промислові виробничі одиниці та дослідників у подальшому вдосконаленні свого досвіду. Оскільки матеріали є недорогими, їх можна масштабувати та сумісні з поточною галузевою практикою, і такі пристрої можна використовувати для ряду додатків, наприклад протезування, або як супутник людини. Це особливо цікавий аспект, оскільки термін робототехніка завжди ототожнюється з високими витратами. Недоліком, пов’язаним із таким штучним м’язом, є велика кількість електроенергії, необхідної для його роботи, а також існує ймовірність опіків, якщо робот резервує занадто багато своєї потужності. М’які роботи набагато делікатніші, ніж їхні традиційні аналоги, що ускладнює їх конструкцію, наприклад, можливі проколи, втрата потужності та розлиття масла. Цим м’яким роботам безумовно потрібен якийсь аспект самовідновлення, як це вже потрібно багатьом м’яким роботам.
Ефективні та надійні м’які роботи можуть бути дуже корисними в житті людей, оскільки вони можуть доповнювати людей і працювати з ними як «спільні» роботи, а не роботи, які замінюють людей. Крім того, традиційні протези рук можуть бути більш м’якими, приємними та чутливими. Ці дослідження є багатообіцяючими, і якщо вдасться впоратися з високим попитом на потужність, вони можуть революціонізувати майбутнє роботів з точки зору їх конструкції та того, як вони рухаються.
***
{Ви можете прочитати оригінальну дослідницьку роботу, натиснувши посилання DOI, наведене нижче в списку цитованих джерел(ів)}
Джерела
1. Acome та ін. 2018. Гідравлічно підсилені самовідновлювані електростатичні приводи з м’язовою продуктивністю. Наука. 359 (6371). https://doi.org/10.1126/science.aao6139
2. Kellaris та ін. 2018. Актуатори Peano-HASEL: міметичні, електрогідравлічні перетворювачі, які лінійно скорочуються при активації. Наука робототехніка. 3 (14). https://doi.org/10.1126/scirobotics.aar3276
