I ett stort framsteg inom robotik har robotar med "mjuka" människoliknande muskler framgångsrikt designats för första gången. Sådana mjuka robotar kan vara en välsignelse för att designa mänskliga robotar i framtiden.
Robotar är programmerbara maskiner som rutinmässigt används i industriella tillämpningar, till exempel som en del av automation, särskilt tillverkning eftersom de är designade för att vara bra på repetitiva uppgifter som kräver mycket styrka och kraft. robotar interagerar med den fysiska världen via sensorer och ställdon i dem och de är omprogrammerbara vilket gör dem mer användbara och flexibla än vanliga enfunktionsmaskiner. Det är uppenbart på sättet som dessa robotar är designade för att göra jobbet att deras rörelser är extremt stela, ibland ryckiga, maskinlika och de är tunga, imponerande och de är inte användbara när en viss uppgift kräver varierande mängder kraft vid olika tidpunkter poäng. Robotar är också ibland farliga och kan behöva säkra inhägnader eftersom de inte är känsliga för sin omgivning. Robotteknikområdet utforskar en mängd olika discipliner för att designa, bygga, programmera och effektivt använda robotmaskiner inom olika industriområden och medicinsk teknik med olika krav.
I nyligen genomförda tvillingstudier ledda av Christoph Keplinger har forskare försett robotar med en ny klass av muskler som är mycket lika våra mänskliga muskler och de besitter och projicerar styrka och känslighet precis som vi gör. Den centrala idén är att ge mer "naturlig” rörelser till maskinen dvs robotar. 99.9 procent av alla robotar idag är stela maskiner gjorda av stål eller metall, medan en biologisk kropp är mjuk men har otroliga egenskaper. Dessa robotar med "mjuka" eller "riktigare" muskler kan vara lämpligt utformade för att utföra rutinmässiga och känsliga uppgifter (som mänskliga muskler utför dagligen), till exempel att bara plocka upp en mjuk frukt eller lägga ett ägg i en korg. Jämfört med traditionella robotar är robotar utrustade med 'konstgjorda muskler' kommer att vara som en "mjukare" version av sig själva och säkrare och de kan sedan anpassas för att utföra nästan alla uppgifter i närheten av människor, vilket tyder på flera möjliga tillämpningar associerade med och runt mänskligt liv. Mjuka robotar kan kallas "samarbetsrobotar", eftersom de kommer att vara unikt designade för att utföra en viss uppgift på ett mycket liknande sätt som en människa.
Forskare har försökt skapa mjuka muskelrobotar. En sådan robot kommer att kräva en mjuk muskel teknologi för att imitera mänskliga muskler och två sådana tekniker har prövats av forskare – pneumatiska manöverdon och dielektriska elastomer manöverdon. "Ställdonet" definieras som den faktiska enheten som förflyttar roboten, eller roboten visar en viss rörelse. I pneumatiska ställdon pumpas en mjuk påse med gaser eller vätskor för att skapa en speciell rörelse. Detta är enkel design men ändå kraftfull även om pumparna är opraktiska och de har skrymmande reservoarer. Den andra tekniken – dielektriska elastomerställdon använder konceptet att applicera ett elektriskt fält över en isolerande flexibel plast för att deformera den och på så sätt skapa en rörelse. Dessa två teknologier var för sig har ännu inte varit framgångsrika, för när en bult av elektricitet passerar genom plasten, misslyckas dessa enheter totalt och är därför inte motståndskraftiga mot mekaniska skador.
Mer "humant gillar” robotar med liknande muskler
I tvillingstudierna som rapporterades i Vetenskap1 och Sciences Robotics2, tog forskare de positiva aspekterna av de två tillgängliga mjuka muskelteknologierna och skapade ett enkelt mjukt muskelliknande manöverdon som använder elektricitet för att ändra vätskors rörelse inuti små påsar. Dessa flexibla polymerpåsar innehåller en isolerande vätska, till exempel en vanlig olja (vegetabilisk olja eller rapsolja) från snabbköpet, eller någon liknande vätska kan användas. När spänningen anbringades mellan hydrogelelektroderna placerade mellan påsens två sidor drogs sidorna mot varandra, oljespasmer uppstår, vilket pressar vätskan i den och får den att rinna runt inuti påsen. Denna spänning skapar en konstgjord muskelsammandragning och när elektriciteten är avstängd slappnar oljan av igen och imiterar en konstgjord muskelavslappning. Ställdonet ändrar form på detta sätt och föremålet som är anslutet till ställdonet visar en rörelse. Därför drar denna "konstgjorda muskel" ihop och släpper (flexar) omedelbart på millisekunder på samma sätt och med samma precision och kraft som mänskliga skelettmuskler. Dessa rörelser kan till och med slå hastigheten på mänskliga muskelreaktioner eftersom mänskliga muskler samtidigt kommunicerar med hjärnan vilket orsakar en fördröjning, även om den inte märks. Genom denna design uppnåddes därför ett vätskesystem som hade direkt elektrisk styrning som uppvisade mångsidighet och hög prestanda.
I den första studien1 in Vetenskap, manöverdon designades i form av en munk och de hade förmågan och skickligheten att plocka upp och hålla ett hallon genom en robotgripare (och inte explodera frukten!). Den möjliga skadan som orsakades av en bult av elektricitet när den passerade genom den isolerande vätskan (ett stort problem med de tidigare designade ställdonen) togs också hand om i den nuvarande designen och alla elektriska skador läkades av sig själv eller reparerades omedelbart av bara nya flöde av vätska in i den "skadade" delen genom en enkel process av omfördelning. Detta tillskrevs användningen av flytande material, som är mer motståndskraftigt, istället för ett fast isoleringsskikt som använts i många tidigare konstruktioner och som skadades omedelbart. I denna process överlevde den konstgjorda muskeln mer än en miljon kontraktionscykler. Denna speciella ställdon, som var munkformad, kunde lätt plocka ett hallon. På samma sätt, genom att skräddarsy formen på dessa elastiska påsar, skapade forskare ett brett utbud av ställdon med unika rörelser, till exempel att plocka upp ett ömtåligt ägg med precision och exakt erforderlig kraft. Dessa flexibla muskler har kallats "hydrauliskt förstärkta självläkande elektrostatiska" ställdon, eller HASEL ställdon. I en andra studie2 som publicerades i Science RoboticsSamma team skapade ytterligare två andra mjuka muskelkonstruktioner som drar ihop sig linjärt, mycket lik en mänsklig biceps, och har därmed förmågan att upprepade gånger lyfta föremål som är tyngre än sin egen vikt.
A Den allmänna uppfattningen är att eftersom robotar är maskiner så måste de säkert ha ett försprång gentemot människor, men när det kommer till de häpnadsväckande förmågor som våra muskler ger oss, kan man helt enkelt säga att robotar bleknar i jämförelse. Den mänskliga muskeln är extremt kraftfull och vår hjärna har en extraordinär kontroll över våra muskler. Detta är anledningen till att mänskliga muskler kan utföra komplicerade uppgifter med precision, t.ex. att skriva. Våra muskler drar ihop sig upprepade gånger och slappnar av när vi gör en tung uppgift och det sägs att vi faktiskt bara använder cirka 65 procent av våra musklers förmåga och denna gräns sätts främst av vårt tänkande. Om vi kan föreställa oss en robot som har människoliknande mjuka muskler, skulle styrkan och förmågan vara enorm. Dessa studier ses som ett första steg för att utveckla ett manöverdon som en möjlig dag skulle kunna uppnå de enorma kapaciteterna hos riktiga biologiska muskler.
Kostnadseffektiv "mjuk" robotik
Författarna säger att material som polymerpåsar med potatischips, olja och till och med elektroder är billiga och lättillgängliga och kostar bara 0.9 USD (eller 10 cent). Detta är uppmuntrande för nuvarande industriella tillverkningsenheter och för forskare att vidareutveckla sin expertis. Materialen som är billiga är skalbara och kompatibla med nuvarande branschpraxis och sådana enheter kan användas för ett antal tillämpningar som proteser eller som en mänsklig följeslagare. Detta är en särskilt intressant aspekt, eftersom termen robotik alltid likställs med höga kostnader. En nackdel som är förknippad med sådana konstgjorda muskler är den höga mängd elektricitet som krävs för dess drift och det finns också risker att brinna om roboten reserverar för mycket av sin kraft. Mjuka robotar är mycket känsligare än sina traditionella robotmotsvarigheter, vilket gör deras design mer utmanande, till exempel möjligheter att punktera, tappa kraft och spilla olja. Dessa mjuka robotar behöver definitivt någon form av självläkande aspekt, som många andra mjuka robotar redan gör.
Effektiva och robusta mjuka robotar kan vara mycket användbara i människoliv eftersom de kan komplettera människor och arbeta med dem som "samarbetande" robotar snarare än robotar som ersätter människor. Traditionella armproteser kan också vara mjukare, behagligare och känsligare. Dessa studier är lovande och om den höga efterfrågan på kraft skulle kunna hanteras, har den potential att revolutionera framtiden för robotar när det gäller deras design och hur de rör sig.
***
{Du kan läsa den ursprungliga forskningsartikeln genom att klicka på DOI-länken nedan i listan över citerade källor}
Källa (er)
1. Acome et al. 2018. Hydrauliskt förstärkta självläkande elektrostatiska ställdon med muskelliknande prestanda. Vetenskap. 359 (6371). https://doi.org/10.1126/science.aao6139
2. Kellaris et al. 2018. Peano-HASEL ställdon: Muskelmimetiska, elektrohydrauliska givare som drar ihop sig linjärt vid aktivering. Science Robotics. 3 (14). https://doi.org/10.1126/scirobotics.aar3276
