Mewn datblygiad mawr mewn roboteg, mae robot gyda chyhyrau dynol 'meddal' wedi'u dylunio'n llwyddiannus am y tro cyntaf. Gall robotiaid meddal o'r fath fod yn hwb i ddylunio robotiaid cyfeillgar i bobl yn y dyfodol.
Mae robotiaid yn beiriannau rhaglenadwy sy'n cael eu defnyddio'n rheolaidd mewn cymwysiadau diwydiannol, er enghraifft fel rhan o awtomeiddio, yn enwedig gweithgynhyrchu oherwydd eu bod wedi'u cynllunio i fod yn dda mewn tasgau ailadroddus sy'n gofyn am lawer o gryfder a phŵer. robotiaid rhyngweithio â'r byd ffisegol trwy synwyryddion ac actiwadyddion ynddynt ac mae modd eu hailraglennu gan eu gwneud yn fwy defnyddiol a hyblyg na pheiriannau un swyddogaeth arferol. Mae'n amlwg o'r ffordd y mae'r robotiaid hyn wedi'u cynllunio i wneud y gwaith bod eu cynigion yn hynod anhyblyg, weithiau'n herciog, yn debyg i beiriant ac yn drwm, yn fawreddog ac nid ydynt yn ddefnyddiol pan fydd tasg benodol yn gofyn am symiau amrywiol o rym ar wahanol adegau. pwyntiau. Mae robotiaid hefyd weithiau'n beryglus ac efallai y bydd angen amgaeadau diogel arnynt gan nad ydynt yn sensitif i'w hamgylchedd. Mae maes roboteg yn archwilio amrywiaeth o ddisgyblaethau i ddylunio, adeiladu, rhaglennu a defnyddio peiriannau robotig yn effeithlon mewn gwahanol feysydd diwydiant a thechnoleg feddygol gyda gwahanol ofynion.
Mewn astudiaethau gefeilliaid diweddar a arweiniwyd gan Christoph Keplinger, mae gan ymchwilwyr robotiaid ffit gyda dosbarth newydd o gyhyrau sy'n debyg iawn i'n cyhyrau dynol ac maent yn meddu ar gryfder a sensitifrwydd ac yn rhagweld yn union fel yr ydym ni. Y syniad canolog yw darparu mwy o “naturiol” symudiadau i'r peiriant hy robotiaid. Mae 99.9 y cant o'r holl robotiaid heddiw yn beiriannau anhyblyg wedi'u gwneud o ddur neu fetel, tra bod corff biolegol yn feddal ond mae ganddo alluoedd anhygoel. Gall y robotiaid hyn sydd â chyhyrau 'meddal' neu 'fwy real' gael eu dylunio'n addas i gyflawni tasgau arferol a thyner (y mae cyhyrau dynol yn eu cyflawni bob dydd), er enghraifft dim ond codi ffrwyth meddal neu osod wy y tu mewn i fasged. O'u cymharu â robotiaid traddodiadol, mae robotiaid wedi'u ffitio â 'cyhyrau artiffisial' yn debyg i fersiynau 'meddalach' ohonynt eu hunain ac yn fwy diogel ac yna gellid eu haddasu i gyflawni bron unrhyw dasg yn agosrwydd pobl, gan awgrymu nifer o gymwysiadau posibl sy'n gysylltiedig â bywyd dynol ac o'i amgylch. Gellid cyfeirio at robotiaid meddal fel robotiaid 'cydweithredol', gan y byddant wedi'u cynllunio'n unigryw i gyflawni tasg benodol mewn ffordd debyg iawn i fod dynol.
Mae ymchwilwyr wedi bod yn ceisio creu robotiaid cyhyrau meddal. Bydd angen meddal ar robot o'r fath cyhyrau technoleg i ddynwared y cyhyrau dynol ac mae ymchwilwyr wedi rhoi cynnig ar ddwy dechnoleg o’r fath – actiwadyddion niwmatig ac actiwadyddion elastomer deuelectrig. Diffinnir yr 'actuator' fel y ddyfais wirioneddol sy'n symud y robot, neu mae'r robot yn dangos symudiad penodol. Mewn actiwadyddion niwmatig, mae cwdyn meddal yn cael ei bwmpio â nwyon neu hylifau i greu symudiad penodol. Mae hwn yn ddyluniad syml ond yn dal yn bwerus er bod y pympiau'n anymarferol ac mae ganddyn nhw gronfeydd dŵr swmpus. Yr ail dechnoleg - mae actiwadyddion elastomer deuelectrig yn defnyddio'r cysyniad o gymhwyso maes trydan ar draws plastig hyblyg inswleiddio i'w ddadffurfio a thrwy hynny greu symudiad. Nid yw'r ddwy dechnoleg hon ar eu pen eu hunain wedi bod yn llwyddiannus eto oherwydd pan fydd bollt o drydan yn mynd trwy'r plastig, mae'r dyfeisiau hyn yn methu'n druenus ac felly nid ydynt yn gallu gwrthsefyll difrod mecanyddol.
Mwy “dynol fel” robotiaid gyda chyhyrau tebyg
Yn yr astudiaethau deuol a adroddwyd yn Gwyddoniaeth1 ac gwyddoniaeth Roboteg2, cymerodd ymchwilwyr agweddau cadarnhaol y ddwy dechnoleg cyhyrau meddal sydd ar gael a chreu actuator meddal tebyg i gyhyrau sy'n defnyddio trydan i newid symudiad hylifau y tu mewn i godenni bach. Mae'r codenni polymer hyblyg hyn yn cynnwys hylif inswleiddio, er enghraifft gellir defnyddio olew rheolaidd (olew llysiau neu olew canola) o'r archfarchnad, neu unrhyw hylif tebyg. Ar ôl i foltedd gael ei gymhwyso rhwng yr electrodau hydrogel a osodwyd rhwng dwy ochr y cwdyn, tynnwyd yr ochrau at ei gilydd, mae sbasm olew yn digwydd, gan wasgu'r hylif ynddo ac achosi iddo lifo o gwmpas y tu mewn i'r cwdyn. Mae'r tensiwn hwn yn creu cyfangiad cyhyr artiffisial ac unwaith y bydd y trydan wedi'i dorri i ffwrdd, mae'r olew yn ymlacio eto, gan ddynwared a artiffisial ymlacio cyhyrau. Mae'r actuator yn newid siâp yn y modd hwn, ac mae'r gwrthrych sydd wedi'i gysylltu â'r actuator yn dangos symudiad. Felly, mae'r 'cyhyr artiffisial' hwn yn cyfangu ac yn rhyddhau (fflecs) ar unwaith mewn milieiliadau yn yr un modd a chyda'r un manwl gywirdeb a grym cyhyrau dynol ysgerbydol go iawn. Gall y symudiadau hyn hyd yn oed guro cyflymder adweithiau cyhyrau dynol oherwydd bod cyhyrau dynol yn cyfathrebu â'r ymennydd ar yr un pryd gan achosi oedi, er nad yw'n amlwg. Felly, trwy'r dyluniad hwn, cyflawnwyd system hylif a oedd â rheolaeth drydanol uniongyrchol yn arddangos amlbwrpasedd a pherfformiad uchel.
Yn yr astudiaeth gyntaf1 in Gwyddoniaeth, cynlluniwyd actuators ar ffurf toesen ac roedd ganddynt y gallu a'r deheurwydd i godi a dal mafon trwy gripper robotig (a pheidio â ffrwydro'r ffrwythau!). Cymerwyd gofal hefyd o'r difrod posibl a wnaethpwyd gan follt o drydan wrth ei basio trwy'r hylif inswleiddio (problem fawr gyda'r actiwadyddion a ddyluniwyd yn flaenorol) yn y dyluniad presennol a chafodd unrhyw ddifrod trydanol ei wella'i hun neu ei atgyweirio ar unwaith gan newydd. llif hylif i'r rhan 'ddifrodedig' trwy broses syml o ailddosbarthu. Priodolwyd hyn i'r defnydd o ddeunydd hylif, sy'n fwy gwydn, yn lle haen insiwleiddio solet a ddefnyddiwyd mewn llawer o ddyluniadau blaenorol ac a ddifrodwyd ar unwaith. Yn y broses hon goroesodd y cyhyr artiffisial fwy na miliwn o gylchoedd cyfangiad. Roedd yr actuator arbennig hwn, ar ffurf toesen, yn gallu pigo mafon yn hawdd. Yn yr un modd, trwy deilwra siâp y codenni elastig hyn, creodd ymchwilwyr ystod eang o actiwadyddion gyda symudiadau unigryw, er enghraifft hyd yn oed codi wy bregus gyda manwl gywirdeb a'r union rym gofynnol. Mae'r cyhyrau hyblyg hyn wedi'u galw'n actiwadyddion Electrostatig Hunan-iachau Hydraidd, neu actiwadyddion HASEL. Mewn ail astudiaeth2 a gyhoeddwyd yn Robotics Gwyddoniaeth, creodd yr un tîm ddau ddyluniad cyhyrau meddal arall sy'n crebachu'n llinol, yn debyg iawn i bicep dynol, gan felly allu codi gwrthrychau dro ar ôl tro yn drymach na'u pwysau eu hunain.
A Y farn gyffredinol yw bod robotiaid yn beiriannau felly mae'n rhaid iddynt fod â mantais dros fodau dynol, ond, o ran y galluoedd rhyfeddol a roddir i ni gan ein cyhyrau, gellid dweud yn syml bod robotiaid yn welw o'u cymharu. Mae'r cyhyr dynol yn hynod bwerus ac mae gan ein hymennydd lawer iawn o reolaeth dros ein cyhyrau. Dyma'r rheswm pam mae cyhyrau dynol yn gallu cyflawni tasgau cymhleth yn fanwl gywir ee ysgrifennu. Mae ein cyhyrau'n cyfangu ac yn ymlacio dro ar ôl tro wrth wneud tasg drom a dywedir ein bod mewn gwirionedd yn defnyddio dim ond tua 65 y cant o allu ein cyhyrau ac mae'r terfyn hwn yn cael ei osod yn bennaf gan ein meddwl. Os gallwn ddychmygu robot sydd â chyhyrau meddal tebyg i ddyn, byddai'r cryfder a'r galluoedd yn enfawr. Ystyrir yr astudiaethau hyn fel cam cyntaf i ddatblygu actiwadydd a allai un diwrnod o bosibl gyflawni galluoedd enfawr cyhyrau biolegol go iawn.
Roboteg 'meddal' cost effeithiol
Dywed yr awduron fod deunyddiau fel y codenni polymer sglodion tatws, olew a hyd yn oed electrodau yn rhad ac ar gael yn hawdd gan fynd â'r gost i 0.9 USD (neu 10 cents) yn unig. Mae hyn yn galonogol i'r unedau gweithgynhyrchu diwydiannol presennol ac i ymchwilwyr ddatblygu eu harbenigedd. Mae'r deunyddiau sy'n gost isel yn raddadwy ac yn gydnaws ag arferion cyfredol y diwydiant a gellid defnyddio dyfeisiau o'r fath ar gyfer nifer o gymwysiadau fel dyfeisiau prosthetig, neu fel cydymaith dynol. Mae hon yn agwedd arbennig o ddiddorol, gan fod y term roboteg bob amser yn cyfateb i gostau uchel. Anfantais sy'n gysylltiedig â chyhyr artiffisial o'r fath yw'r swm uchel o drydan sydd ei angen ar gyfer ei weithrediad ac mae yna hefyd siawns o losgi os yw'r robot yn cadw gormod o'i bŵer. Mae robotiaid meddal yn llawer mwy bregus na'u cymheiriaid robot traddodiadol sy'n gwneud eu dyluniad yn fwy heriol, er enghraifft posibiliadau o dyllu, colli pŵer a gollwng olew. Yn bendant, mae angen rhyw fath o agwedd hunan-iacháu ar y robotiaid meddal hyn, fel y mae llawer o robotiaid meddal eisoes yn ei wneud.
Gall robotiaid meddal effeithlon a chadarn fod yn ddefnyddiol iawn ym mywydau dynol gan y gallant ategu bodau dynol a gweithio gyda nhw fel robotiaid “cydweithredol” yn hytrach na robotiaid sy'n cymryd lle bodau dynol. Hefyd, gallai breichiau prosthetig traddodiadol fod yn fwy meddal, dymunol a sensitif. Mae'r astudiaethau hyn yn addawol a phe bai modd mynd i'r afael â'r galw mawr am bŵer, mae ganddo'r potensial i chwyldroi dyfodol robotiaid o ran eu dyluniad a sut maen nhw'n symud.
***
Ffynhonnell (au)
1. Acome et al. 2018. Actuators electrostatig hunan-iachau wedi'u chwyddo'n hydrolig gyda pherfformiad tebyg i gyhyrau. Gwyddoniaeth. 359(6371). https://doi.org/10.1126/science.aao6139
2. Kellaris et al. 2018. Actuators Peano-HASEL: Trawsddygiaduron meimigaidd cyhyrau, electrohydraulig sy'n contractio'n llinol ar actifadu. Robotics Gwyddoniaeth. 3 (14). https://doi.org/10.1126/scirobotics.aar3276
***
