In een grote vooruitgang in robotica zijn voor het eerst robots met 'zachte' mensachtige spieren met succes ontworpen. Dergelijke zachte robots kunnen een zegen zijn om in de toekomst mensvriendelijke robots te ontwerpen.
Robots zijn programmeerbare machines die routinematig worden gebruikt in industriële toepassingen, bijvoorbeeld als onderdeel van automatisering, met name in de productie, omdat ze zijn ontworpen om repetitieve taken uit te voeren die veel kracht en vermogen vereisen. Robots communiceren met de fysieke wereld via sensoren en actuatoren en zijn herprogrammeerbaar, waardoor ze nuttiger en flexibeler zijn dan standaardmachines met één functie. Het is duidelijk dat de bewegingen van deze robots, gezien hun ontwerp, extreem stijf, soms schokkerig en machinaal zijn. Ze zijn zwaar en imposant en daardoor niet geschikt wanneer een bepaalde taak op verschillende tijdstippen variabele hoeveelheden kracht vereist. Robots kunnen ook gevaarlijk zijn en hebben mogelijk een veilige behuizing nodig, omdat ze niet gevoelig zijn voor hun omgeving. Het vakgebied robotica onderzoekt diverse disciplines om robotmachines te ontwerpen, bouwen, programmeren en efficiënt te gebruiken in verschillende sectoren van de industrie en medische technologie, elk met uiteenlopende eisen.
In recente tweelingstudies onder leiding van Christoph Keplinger hebben onderzoekers robots uitgerust met een nieuwe klasse spieren die sterk lijken op onze menselijke spieren. Deze spieren bezitten en projecteren kracht en gevoeligheid net als wij. Het centrale idee is om de machine, oftewel de robot, meer " natuurlijke " bewegingen te geven. 99.9 procent van alle robots van tegenwoordig zijn starre machines gemaakt van staal of metaal, terwijl een biologisch lichaam zacht is maar ongelooflijke mogelijkheden heeft. Deze robots met 'zachte' of 'realistischere' spieren kunnen zo ontworpen worden dat ze routinematige en delicate taken uitvoeren (die menselijke spieren dagelijks uitvoeren), zoals het oppakken van een zachte vrucht of het plaatsen van een ei in een mandje. In vergelijking met traditionele robots zullen robots met ' kunstmatige spieren ' een 'zachtere' versie van zichzelf zijn, veiliger en in staat om vrijwel elke taak in de nabijheid van mensen uit te voeren. Dit suggereert diverse mogelijke toepassingen in en rondom het menselijk leven. Zachte robots zouden ook wel 'collaboratieve' robots genoemd kunnen worden, omdat ze uniek ontworpen zijn om een specifieke taak op een zeer vergelijkbare manier als een mens uit te voeren.
Onderzoekers proberen robots met zachte spieren te ontwikkelen. Zo'n robot heeft een technologie nodig die de menselijke spieren nabootst. Twee van deze technologieën zijn door onderzoekers uitgeprobeerd: pneumatische actuatoren en diëlektrische elastomeeractuatoren. De 'actuator' is het apparaat dat de robot beweegt, of waarmee de robot een bepaalde beweging uitvoert. Bij pneumatische actuatoren wordt een zachte zak gevuld met gassen of vloeistoffen om een specifieke beweging te creëren. Dit is een eenvoudig, maar krachtig ontwerp, hoewel de pompen onpraktisch zijn en omvangrijke reservoirs vereisen. De tweede technologie – diëlektrische elastomeeractuatoren – maakt gebruik van het principe van het aanleggen van een elektrisch veld over een isolerend, flexibel plastic om dit te vervormen en zo een beweging te creëren. Deze twee technologieën zijn op zichzelf nog niet succesvol gebleken, omdat ze bij een elektrische stroomstoot door het plastic falen en dus niet bestand zijn tegen mechanische schade.
Meer " mensachtige " robots met vergelijkbare spieren.
In de twee onderzoeken die in Science 1 en Sciences Robotics 2 zijn gepubliceerd , combineerden onderzoekers de positieve aspecten van de twee beschikbare soft muscle-technologieën en creëerden een eenvoudige, op een soft muscle lijkende actuator die elektriciteit gebruikt om de beweging van vloeistoffen in kleine zakjes te beïnvloeden. Deze flexibele polymeerzakjes bevatten een isolerende vloeistof, bijvoorbeeld gewone olie (plantaardige olie of koolzaadolie) uit de supermarkt, of een vergelijkbare vloeistof. Zodra er spanning wordt aangelegd tussen de hydrogel-elektroden die tussen de twee zijden van het zakje zijn geplaatst, worden de zijden naar elkaar toegetrokken, treedt er een oliespasme op, waardoor de vloeistof erin wordt samengedrukt en in het zakje rondstroomt. Deze spanning creëert een kunstmatige spiercontractie en zodra de elektriciteit wordt uitgeschakeld, ontspant de olie zich weer, wat een kunstmatige spierontspanning nabootst. De actuator verandert op deze manier van vorm en het object dat met de actuator is verbonden, vertoont een beweging. Deze 'kunstmatige spier' trekt zich dus binnen milliseconden direct samen en ontspant (flexeert) op dezelfde manier en met dezelfde precisie en kracht als echte skeletspieren. Deze bewegingen kunnen zelfs sneller zijn dan menselijke spierreacties, omdat menselijke spieren gelijktijdig met de hersenen communiceren, wat een vertraging veroorzaakt die echter onmerkbaar is. Door dit ontwerp is dus een vloeistofsysteem gerealiseerd met directe elektrische aansturing, dat veelzijdigheid en hoge prestaties biedt.
In de eerste studie¹ in Science werden actuatoren ontworpen in de vorm van een donut. Deze actuatoren bleken in staat en hadden de behendigheid om een framboos op te pakken en vast te houden met behulp van een robotgrijper (zonder dat de vrucht explodeerde!). De mogelijke schade die een elektrische ontlading kon veroorzaken wanneer deze door de isolerende vloeistof ging (een groot probleem bij de eerder ontworpen actuatoren) werd in het huidige ontwerp ondervangen. Eventuele elektrische schade werd direct hersteld door simpelweg nieuwe vloeistof in het 'beschadigde' deel te laten stromen via een eenvoudig herverdelingsproces. Dit werd toegeschreven aan het gebruik van vloeibaar materiaal, dat veerkrachtiger is, in plaats van de vaste isolerende laag die in veel eerdere ontwerpen werd gebruikt en die direct beschadigd raakte. Tijdens dit proces doorstond de kunstmatige spier meer dan een miljoen contractiecycli. Deze specifieke actuator, met zijn donutvorm, kon gemakkelijk een framboos oppakken. Op vergelijkbare wijze creëerden onderzoekers, door de vorm van deze elastische zakjes aan te passen, een breed scala aan actuatoren met unieke bewegingen, bijvoorbeeld zelfs het oppakken van een fragiel ei met precisie en de exact benodigde kracht. Deze flexibele spieren worden "Hydraulisch versterkte zelfherstellende elektrostatische" actuatoren, ofwel HASEL-actuatoren, genoemd. In een tweede studie² gepubliceerd in Science Robotics creëerde hetzelfde team nog twee andere ontwerpen voor zachte spieren die lineair samentrekken, net als een menselijke biceps, waardoor ze in staat zijn om herhaaldelijk objecten te tillen die zwaarder zijn dan hun eigen gewicht.
A De algemene mening is dat, aangezien robots machines zijn, ze zeker een voorsprong op mensen moeten hebben, maar als het gaat om de verbazingwekkende vermogens die onze spieren ons bieden, zou je eenvoudig kunnen zeggen dat robots in vergelijking daarmee verbleken. De menselijke spier is extreem krachtig en onze hersenen hebben buitengewoon veel controle over onze spieren. Dit is de reden waarom menselijke spieren in staat zijn om ingewikkelde taken met precisie uit te voeren, zoals schrijven. Onze spieren trekken herhaaldelijk samen en ontspannen zich tijdens een zware taak en er wordt gezegd dat we eigenlijk maar ongeveer 65 procent van onze spieren gebruiken en deze limiet wordt voornamelijk bepaald door ons denken. Als we ons een robot kunnen voorstellen die menselijke zachte spieren heeft, zouden de kracht en mogelijkheden enorm zijn. Deze studies worden gezien als een eerste stap om een actuator te ontwikkelen die ooit de enorme mogelijkheden van echte biologische spieren zou kunnen bereiken.
Kosteneffectieve 'zachte' robotica
De auteurs zeggen dat materialen zoals de chips-polymeerzakjes, olie en zelfs elektroden goedkoop en gemakkelijk verkrijgbaar zijn, waardoor de kosten slechts 0.9 USD (of 10 cent) bedragen. Dit is bemoedigend voor de huidige industriële productie-eenheden en voor onderzoekers om hun expertise te vergroten. De goedkope materialen zijn schaalbaar en compatibel met de huidige industriële praktijken en dergelijke apparaten kunnen worden gebruikt voor een aantal toepassingen, zoals prothetische apparaten, of als een menselijke metgezel. Dit is een bijzonder interessant aspect, aangezien de term robotica altijd gelijk staat aan hoge kosten. Een nadeel van dergelijke kunstmatige spieren is de grote hoeveelheid elektriciteit die nodig is voor de werking ervan en er zijn ook kansen op verbranding als de robot te veel van zijn kracht reserveert. Zachte robots zijn veel delicater dan hun traditionele robottegenhangers, wat hun ontwerp uitdagender maakt, bijvoorbeeld door lekke banden, stroomverlies en het morsen van olie. Deze zachte robots hebben absoluut een soort zelfherstellend aspect nodig, zoals veel sommige zachte robots al doen.
Efficiënte en robuuste zachte robots kunnen zeer nuttig zijn in mensenlevens, omdat ze mensen kunnen aanvullen en met hen kunnen samenwerken als 'samenwerkende' robots in plaats van robots die mensen vervangen. Ook kunnen traditionele prothetische armen zachter, prettiger en gevoeliger zijn. Deze studies zijn veelbelovend en als de grote vraag naar stroom kan worden aangepakt, heeft dit het potentieel om de toekomst van robots te revolutioneren wat betreft hun ontwerp en hoe ze bewegen.
***
Bron (nen)
1. Acome et al. 2018. Hydraulisch versterkte zelfherstellende elektrostatische actuatoren met spierachtige prestaties. Science. 359(6371). https://doi.org/10.1126/science.aao6139
2. Kellaris et al. 2018. Peano-HASEL actuatoren: Spier-nabootsende, elektrohydraulische transducers die lineair samentrekken bij activering. Science Robotics . 3(14). https://doi.org/10.1126/scirobotics.aar3276
***
