У якасці сур'ёзнага прагрэсу ў робататэхніцы ўпершыню быў паспяхова распрацаваны робат з «мяккімі» чалавечымі цягліцамі. Такія мяккія робаты могуць стаць дабром для распрацоўкі зручных для чалавека робатаў у будучыні.
Робаты - гэта праграмуемыя машыны, якія рэгулярна выкарыстоўваюцца ў прамысловасці, напрыклад, як частка аўтаматызацыі, асабліва вытворчасці, таму што яны распрацаваны, каб добра спраўляцца з паўтаральнымі задачамі, якія патрабуюць шмат сілы і магутнасці. робаты узаемадзейнічаюць з фізічным светам праз датчыкі і выканаўчыя механізмы ў іх, і яны перапраграмуюцца, што робіць іх больш карыснымі і гнуткімі, чым звычайныя аднафункцыянальныя машыны. З таго, як гэтыя робаты прызначаны для выканання працы, відаць, што іх рухі надзвычай жорсткія, часам адрывістыя, падобныя на машыну, яны цяжкія, унушальныя і бескарысныя, калі канкрэтная задача патрабуе рознай колькасці сілы ў розны час кропак. Робаты таксама часам небяспечныя, і ім можа спатрэбіцца бяспечнае агароджванне, бо яны не адчувальныя да навакольнага асяроддзя. Поле робататэхнікі вывучае розныя дысцыпліны для праектавання, стварэння, праграмавання і эфектыўнага выкарыстання рабатызаваных машын у розных галінах прамысловасці і медыцынскіх тэхналогій з рознымі патрабаваннямі.
У нядаўніх даследаваннях двайнят пад кіраўніцтвам Крыстафа Кеплінгера даследчыкі стварылі робатаў з новым класам цягліц, якія вельмі падобныя на нашы чалавечыя мышцы, і яны валодаюць сілай і адчувальнасцю, як і мы. Галоўная ідэя - забяспечыць больш "прыродны” руху да машыны, г.зн. робатаў. 99.9 працэнта ўсіх сучасных робатаў - гэта цвёрдыя машыны, зробленыя са сталі або металу, у той час як біялагічнае цела мяккае, але валодае неверагоднымі магчымасцямі. Гэтыя робаты з «мяккімі» або «больш рэальнымі» цягліцамі могуць быць адпаведна спраектаваны для выканання руцінных і далікатных задач (якія чалавечыя мышцы выконваюць штодня), напрыклад, проста збіраць мяккі фрукт або класці яйка ў кошык. У параўнанні з традыцыйнымі робатамі, робаты, абсталяваныя 'штучныя мышцы' будуць як «мяккія» версіі саміх сябе і больш бяспечныя, а затым іх можна будзе наладзіць для выканання практычна любой задачы ў непасрэднай блізкасці ад людзей, прапануючы некалькі магчымых прыкладанняў, звязаных з чалавечым жыццём і вакол яго. Мяккія робаты можна назваць «супрацоўнымі» робатамі, бо яны будуць унікальна распрацаваны для выканання пэўнай задачы вельмі падобным чынам, як і чалавек.
Даследчыкі спрабавалі стварыць робатаў з мяккімі цягліцамі. Такому робату спатрэбіцца софт мышца тэхналогія для ўвасаблення чалавечых цягліц і дзве такія тэхналогіі былі апрабаваны даследчыкамі - пнеўматычныя прывады і дыэлектрычныя эластамерныя прывады. «Актуатор» вызначаецца як фактычнае прылада, якое рухае робат, або робат паказвае пэўны рух. У пнеўматычных прывадах мяккі мяшок перапампоўваецца газамі або вадкасцямі для стварэння пэўнага руху. Гэта простая канструкцыя, але ўсё яшчэ магутная, хоць помпы непрактычныя і маюць аб'ёмныя рэзервуары. Другая тэхналогія - дыэлектрычныя эластамерныя прывады выкарыстоўваюць канцэпцыю прымянення электрычнага поля праз ізаляцыйны гнуткі пластык, каб дэфармаваць яго і такім чынам ствараць рух. Гэтыя дзве тэхналогіі самі па сабе пакуль не былі паспяховымі, таму што, калі электрычны ток праходзіць праз пластык, гэтыя прылады з трэскам выходзяць з ладу і, такім чынам, не ўстойлівыя да механічных пашкоджанняў.
больш "чалавек як» робаты з падобнымі цягліцамі
У даследаваннях двайнят, пра якія паведамлялася ў навука1 і Навука Робататэхніка2, даследчыкі ўзялі станоўчыя аспекты дзвюх даступных тэхналогій мяккіх цягліц і стварылі просты прывад, падобны на мяккія мышцы, які выкарыстоўвае электрычнасць для змены руху вадкасці ўнутры невялікіх мяшочкаў. Гэтыя гнуткія палімерныя пакеты ўтрымліваюць ізаляцыйную вадкасць, напрыклад, звычайнае алей (раслінны або рапсавы алей) з супермаркета або любую падобную вадкасць. Пасля таго, як паміж гідрагелевымі электродамі, размешчанымі паміж двума бакамі пакета, паступіла напружанне, бакі прыцягнуліся адзін да аднаго, узнікае алейны спазм, сціскаючы вадкасць у ім і прымушаючы яе цячы ўнутры мяшка. Гэта напружанне стварае штучнае скарачэнне цягліц, і як толькі электрычнасць адключаецца, алей зноў расслабляецца, імітуючы штучны расслабленне цягліц. Прывад змяняе форму такім чынам, і аб'ект, які злучаны з прывадам, паказвае рух. Такім чынам, гэтая «штучная цягліца» скарачаецца і адпускаецца (згінаецца) імгненна за мілісекунды такім жа чынам і з такой жа дакладнасцю і сілай, што і сапраўдныя шкілетныя мышцы чалавека. Гэтыя рухі могуць нават пераўзыходзіць хуткасць чалавечых цягліцавых рэакцый, таму што чалавечыя мышцы адначасова маюць зносіны з мозгам, выклікаючы затрымку, хоць і незаўважную. Такім чынам, дзякуючы гэтай канструкцыі, была дасягнута вадкая сістэма, якая мела прамое электрычнае кіраванне, якое дэманстравала ўніверсальнасць і высокую прадукцыйнасць.
У першым даследаванні1 in навука, прывады былі распрацаваны ў форме пончыка, і яны валодалі здольнасцю і спрытам падымаць і ўтрымліваць маліну праз рабатызаваны захоп (і не выбухаючы садавіна!). Магчымае пашкоджанне, якое было нанесенае электраэнергіяй пры праходжанні праз ізаляцыйную вадкасць (важная праблема для раней спраектаваных прывадаў), таксама была ўлічана ў цяперашняй канструкцыі, і любыя электрычныя пашкоджанні былі самастойна вылечаны або адрамантаваны толькі новымі паток вадкасці ў «пашкоджаную» частку праз просты працэс пераразмеркавання. Гэта было звязана з выкарыстаннем вадкага матэрыялу, які з'яўляецца больш пругкім, замест цвёрдага ізаляцыйнага пласта, які выкарыстоўваўся ў многіх папярэдніх канструкцыях і які быў імгненна пашкоджаны. У гэтым працэсе штучная цягліца перажыла больш за мільён цыклаў скарачэння. Гэты канкрэтны прывад, будучы ў форме пончыка, лёгка мог збіраць маліну. Аналагічным чынам, падганяючы форму гэтых эластычных сумак, даследчыкі стварылі шырокі спектр прывадаў з унікальнымі рухамі, напрыклад, нават падбіраючы далікатнае яйка з дакладнасцю і дакладнай неабходнай сілай. Гэтыя гнуткія мышцы былі названы «гідраўлічна ўзмоцненымі самааднаўляючыміся электрастатычнымі» прывадамі, або прывадамі HASEL. У другім даследаванні2 апублікаванай у навука Robotics,тая ж каманда таксама стварыла дзве іншыя канструкцыі мяккіх цягліц, якія лінейна скарачаюцца, вельмі падобныя на біцэпс чалавека, такім чынам, маючы магчымасць шматкроць падымаць прадметы, цяжэйшыя за іх уласны вага.
А Агульная думка складаецца ў тым, што, паколькі робаты - гэта машыны, яны, безумоўна, павінны мець перавагу над людзьмі, але калі справа даходзіць да дзіўных здольнасцяў, якія даюць нам нашы мышцы, можна проста сказаць, што робаты бляднеюць у параўнанні. Цягліца чалавека надзвычай магутная, і наш мозг мае надзвычайную колькасць кантролю над нашымі цягліцамі. Гэта прычына, па якой чалавечыя мышцы здольныя выконваць складаныя задачы з дакладнасцю, напрыклад, пісаць. Нашы мышцы неаднаразова скарачаюцца і расслабляюцца, выконваючы цяжкую задачу, і кажуць, што на самой справе мы выкарыстоўваем толькі каля 65 працэнтаў магчымасцяў нашых цягліц, і гэтая мяжа ў асноўным вызначаецца нашым мысленнем. Калі мы можам уявіць сабе робата з мяккімі мускуламі, як у чалавека, сілы і магчымасці былі б велізарныя. Гэтыя даследаванні разглядаюцца як першы крок да распрацоўкі прывада, які аднойчы мог бы дасягнуць велізарных магчымасцяў сапраўдных біялагічных цягліц.
Эканамічная «мяккая» робататэхніка
Аўтары кажуць, што такія матэрыялы, як палімерныя пакеты з бульбянымі чыпсамі, алей і нават электроды, недарагія і лёгкадаступныя, іх кошт складае ўсяго 0.9 долара (або 10 цэнтаў). Гэта абнадзейвае для цяперашніх прамысловых вытворчых падраздзяленняў і для даследчыкаў, каб паглыбіць свой вопыт. Матэрыялы, якія з'яўляюцца недарагімі, маштабуюцца і сумяшчальныя з сучаснай галіновай практыкай, і такія прылады могуць выкарыстоўвацца для шэрагу прыкладанняў, такіх як пратэзы, або ў якасці спадарожніка чалавека. Гэта асабліва цікавы аспект, бо тэрмін робататэхнікі заўсёды атаясамліваюць з высокімі выдаткамі. Недахопам, звязаным з такой штучнай цягліцай, з'яўляецца вялікая колькасць электраэнергіі, неабходнай для яе працы, а таксама ёсць верагоднасць згарання, калі робат захоўвае занадта вялікую частку сваёй магутнасці. Мяккія робаты значна больш далікатныя, чым іх традыцыйныя аналагі робатаў, што робіць іх канструкцыю больш складанай, напрыклад, магчымасці пракалывання, страты магутнасці і разлівання алею. Гэтым мяккім робатам, безумоўна, патрэбны нейкі аспект самааднаўлення, як гэта ўжо робяць многія мяккія робаты.
Эфектыўныя і надзейныя мяккія робаты могуць быць вельмі карыснымі ў жыцці чалавека, паколькі яны могуць дапаўняць людзей і працаваць з імі як «супрацоўныя» робаты, а не робаты, якія замяняюць людзей. Акрамя таго, традыцыйныя пратэзы рук могуць быць больш мяккімі, прыемнымі і адчувальнымі. Гэтыя даследаванні з'яўляюцца шматабяцальнымі, і калі ўдасца вырашыць высокія патрабаванні да магутнасці, у іх ёсць патэнцыял, каб змяніць будучыню робатаў з пункту гледжання іх дызайну і таго, як яны рухаюцца.
***
{Вы можаце прачытаць арыгінальную даследчую працу, націснуўшы на спасылку DOI, прыведзены ніжэй у спісе цытуемых крыніц}
Крыніца (я)
1. Acome і інш. 2018. Гідраўлічна ўзмацняюцца электрастатычныя прывады з самааднаўленнем з мышачнай прадукцыйнасцю. Навука. 359 (6371). https://doi.org/10.1126/science.aao6139
2. Келарыс і інш. 2018. Прывады Peano-HASEL: цягліцава-міметычныя электрагідраўлічныя пераўтваральнікі, якія лінейна скарачаюцца пры актывацыі. навука Robotics. 3 (14). https://doi.org/10.1126/scirobotics.aar3276
