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 productie, omdat ze zijn ontworpen om goed te zijn in repetitieve taken die veel kracht en kracht vereisen. Robots communiceren met de fysieke wereld via sensoren en actuatoren erin en ze zijn herprogrammeerbaar waardoor ze nuttiger en flexibeler zijn dan routinematige machines met één functie. Uit de manier waarop deze robots zijn ontworpen om hun werk te doen, is het duidelijk dat hun bewegingen extreem stijf, soms schokkerig, machine-achtig zijn en dat ze zwaar, imposant zijn en niet nuttig zijn wanneer een bepaalde taak variabele hoeveelheden kracht vereist op verschillende tijdstippen punten. Robots zijn soms ook gevaarlijk en hebben mogelijk veilige omheiningen nodig omdat ze niet gevoelig zijn voor hun omgeving. Het gebied van robotica onderzoekt een verscheidenheid aan disciplines om robotmachines te ontwerpen, bouwen, programmeren en efficiënt te gebruiken in verschillende gebieden van de industrie en medische technologie met verschillende vereisten.
In recente tweelingstudies onder leiding van Christoph Keplinger, hebben onderzoekers robots uitgerust met een nieuwe klasse spieren die erg lijken op onze menselijke spieren en die net als wij kracht en gevoeligheid bezitten en uitstralen. Het centrale idee is om meer "natuurlijke" bewegingen aan de machine, dwz robots, 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 'reële' spieren kunnen geschikt worden ontworpen om routinematige en delicate taken uit te voeren (die menselijke spieren dagelijks uitvoeren), bijvoorbeeld het oppakken van zacht fruit of het plaatsen van een ei in een mand. In vergelijking met traditionele robots zijn robots uitgerust met 'kunstmatige spieren' zullen als een 'zachtere' versie van zichzelf en veiliger zijn en ze kunnen dan worden aangepast om bijna elke taak in de nabijheid van mensen uit te voeren, wat verschillende mogelijke toepassingen suggereert die verband houden met en rond het menselijk leven. Zachte robots kunnen worden aangeduid als 'collaboratieve' robots, omdat ze uniek zijn ontworpen om een bepaalde taak op een vergelijkbare manier als een mens uit te voeren.
Onderzoekers hebben geprobeerd zachte spierrobots te maken. Zo'n robot heeft een zachte spier technologie om de menselijke spieren na te bootsen en twee van dergelijke technologieën zijn uitgeprobeerd door onderzoekers: pneumatische actuatoren en diëlektrische elastomeeractuators. De 'actuator' wordt gedefinieerd als het daadwerkelijke apparaat dat de robot beweegt, of de robot laat een bepaalde beweging zien. Bij pneumatische aandrijvingen wordt een zacht zakje met gassen of vloeistoffen gepompt om een bepaalde beweging te creëren. Dit is een eenvoudig ontwerp, maar nog steeds krachtig, hoewel de pompen onpraktisch zijn en omvangrijke reservoirs hebben. De tweede technologie – diëlektrische elastomeeractuators gebruiken het concept van het aanleggen van een elektrisch veld over een isolerend flexibel plastic om het te vervormen en zo een beweging te creëren. Deze twee technologieën op zichzelf zijn nog niet succesvol geweest, want wanneer een stroomstoot door het plastic gaat, falen deze apparaten jammerlijk en zijn ze dus niet bestand tegen mechanische schade.
Meer "mensachtige" robots met vergelijkbare spieren
In de tweelingstudies gerapporteerd in Wetenschap1 en Wetenschappen Robotica2, namen onderzoekers de positieve aspecten van de twee beschikbare zachte spiertechnologieën en creëerden een eenvoudige zachte spierachtige actuator die elektriciteit gebruikt om de beweging van vloeistoffen in kleine zakjes te veranderen. Deze flexibele polymeerzakjes bevatten een isolerende vloeistof, bijvoorbeeld een gewone olie (plantaardige olie of koolzaadolie) uit de supermarkt, of een gelijkaardige vloeistof kan gebruikt worden. Nadat er spanning was aangebracht tussen de hydrogelelektroden die tussen de twee zijden van de buidel waren geplaatst, werden de zijkanten naar elkaar toe getrokken, er treedt oliespasme op, waardoor de vloeistof erin wordt samengedrukt en deze in de buidel rondstroomt. Deze spanning zorgt voor een kunstmatige spiersamentrekking en zodra de elektriciteit wordt afgesneden, ontspant de olie weer, en imiteert een kunstmatig spier ontspanning. Op deze manier verandert de actuator van vorm en het object dat op de actuator is aangesloten vertoont een beweging. Daarom trekt deze 'kunstspier' zich samen en laat ze onmiddellijk los (flex) in milliseconden op dezelfde manier en met dezelfde precisie en kracht als echte menselijke skeletspieren. Deze bewegingen kunnen zelfs de snelheid van menselijke spierreacties verslaan, omdat menselijke spieren gelijktijdig communiceren met de hersenen, wat een vertraging veroorzaakt, hoewel onmerkbaar. Daarom werd door dit ontwerp een vloeistofsysteem bereikt met directe elektrische bediening die veelzijdigheid en hoge prestaties vertoonde.
In de eerste studie1 in Wetenschap, werden actuatoren ontworpen in de vorm van een donut en hadden ze het vermogen en de behendigheid om een framboos op te pakken en vast te houden door een robotgrijper (en de vrucht niet te laten exploderen!). De mogelijke schade die werd veroorzaakt door een stroomstoot wanneer deze door de isolerende vloeistof ging (een groot probleem met de eerder ontworpen actuatoren) werd ook opgevangen in het huidige ontwerp en eventuele elektrische schade werd vanzelf hersteld of onmiddellijk gerepareerd door een nieuwe vloeistofstroom in het 'beschadigde' deel via een eenvoudig proces van herverdeling. Dit werd toegeschreven aan het gebruik van vloeibaar materiaal, dat veerkrachtiger is, in plaats van een vaste isolatielaag die in veel eerdere ontwerpen werd gebruikt en die onmiddellijk werd beschadigd. In dit proces overleefde de kunstmatige spier meer dan een miljoen contractiecycli. Deze specifieke actuator, in de vorm van een donut, was gemakkelijk in staat om een framboos te plukken. Evenzo 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 kwetsbaar ei met precisie en exact vereiste kracht. Deze flexibele spieren worden "hydraulisch versterkte zelfgenezende elektrostatische" actuatoren of HASEL-actuatoren genoemd. In een tweede onderzoek2 gepubliceerd Science Robotics, hetzelfde team creëerde verder twee andere zachte spierontwerpen die lineair samentrekken, zeer vergelijkbaar met een menselijke biceps, waardoor ze de mogelijkheid hebben om herhaaldelijk objecten op 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.
***
{U kunt de originele onderzoekspaper lezen door op de DOI-link hieronder in de lijst met geciteerde bron(nen) te klikken}
Bron (nen)
1. Acome et al. 2018. Hydraulisch versterkte zelfherstellende elektrostatische actuators met spierachtige prestaties. Wetenschap. 359(6371). https://doi.org/10.1126/science.aao6139
2. Kellaris et al. 2018. Peano-HASEL-actuators: spier-mimetische, elektrohydraulische transducers die lineair samentrekken bij activering. Science Robotics. 3 (14). https://doi.org/10.1126/scirobotics.aar3276
