Это крупное достижение в области робототехники - впервые был успешно разработан робот с «мягкими» мышцами, подобными человеческому. Такие мягкие роботы могут стать благом для разработки роботов, удобных для человека в будущем.
Роботы — это программируемые машины, которые регулярно используются в промышленности, например, в рамках автоматизации, особенно в производстве, поскольку они разработаны для выполнения повторяющихся задач, требующих большой силы и мощности. Роботы взаимодействуют с физическим миром посредством встроенных датчиков и исполнительных механизмов, и их можно перепрограммировать, что делает их более полезными и гибкими, чем обычные машины с одной функцией. Из конструкции этих роботов очевидно, что их движения чрезвычайно жесткие, иногда рывковые, механические, они тяжелые, громоздкие и бесполезны, когда конкретная задача требует переменного количества силы в разные моменты времени. Роботы также иногда опасны и могут нуждаться в надежных защитных кожухах, поскольку они не чувствительны к окружающей среде. В области робототехники исследуется множество дисциплин для проектирования, создания, программирования и эффективного использования роботизированных машин в различных областях промышленности и медицинской техники с различными требованиями.
В недавних исследованиях близнецов под руководством Кристофа Кеплингера исследователи оснастили роботов новым классом мышц, очень похожих на человеческие, которые обладают и демонстрируют силу и чувствительность, аналогичные нашим. Основная идея заключается в обеспечении более « естественных » движений для машины, то есть робота. 99.9% всех современных роботов — это жесткие машины, изготовленные из стали или металла, в то время как биологическое тело мягкое, но обладает невероятными возможностями. Роботы с «мягкими» или «более реалистичными» мышцами могут быть соответствующим образом спроектированы для выполнения рутинных и деликатных задач (которые человеческие мышцы выполняют ежедневно), например, просто поднять мягкий фрукт или положить яйцо в корзину. По сравнению с традиционными роботами, роботы, оснащенные « искусственными мышцами », будут похожи на «более мягкие» версии самих себя, будут безопаснее и могут быть адаптированы для выполнения практически любой задачи в непосредственной близости от людей, что предполагает множество возможных применений, связанных с человеческой жизнью. Мягких роботов можно назвать «совместными» роботами, поскольку они уникально спроектированы для выполнения конкретной задачи очень похожим на человеческую.
Исследователи пытаются создать роботов с мягкими мышцами. Для такого робота потребуется технология имитации человеческих мышц , и исследователи уже опробовали две такие технологии – пневматические и диэлектрические эластомерные актуаторы. «Актуатор» определяется как устройство, которое приводит робота в движение или позволяет роботу демонстрировать определенное движение. В пневматических актуаторах мягкий мешок накачивается газами или жидкостями для создания определенного движения. Это простая, но достаточно мощная конструкция, хотя насосы непрактичны и имеют громоздкие резервуары. Вторая технология – диэлектрические эластомерные актуаторы – использует концепцию приложения электрического поля к изолирующему гибкому пластику для его деформации и, таким образом, создания движения. Эти две технологии сами по себе пока не увенчались успехом, поскольку при прохождении электрического разряда через пластик эти устройства выходят из строя и, следовательно, не устойчивы к механическим повреждениям.
Больше « человекоподобных » роботов с похожими мышцами
В двух исследованиях, опубликованных в журналах Science 1 и Sciences Robotics 2 , исследователи использовали положительные аспекты двух существующих технологий создания мягких мышц и разработали простой актуатор, имитирующий мягкую мышцу, который использует электричество для изменения движения жидкостей внутри небольших мешочков. Эти гибкие полимерные мешочки содержат изолирующую жидкость, например, обычное масло (растительное или рапсовое) из супермаркета, или любую другую подобную жидкость. После подачи напряжения между гидрогелевыми электродами, расположенными между двумя сторонами мешочка, стороны притягиваются друг к другу, происходит спазм масла, сжимающее жидкость внутри него и заставляющее ее течь внутри мешочка. Это натяжение создает искусственное сокращение мышцы, и как только подача электричества прекращается, масло снова расслабляется, имитируя искусственное расслабление мышцы. Таким образом, актуатор меняет форму, и объект, подключенный к актуатору, демонстрирует движение. Таким образом, эта «искусственная мышца» сокращается и расслабляется (сгибается) мгновенно за миллисекунды так же, с той же точностью и силой, что и настоящие скелетные мышцы человека. Эти движения могут даже превосходить скорость реакции человеческих мышц, поскольку мышцы одновременно передают информацию в мозг, вызывая задержку, хотя и незаметную. Таким образом, благодаря этой конструкции была создана жидкостная система с прямым электрическим управлением, демонстрирующая универсальность и высокую производительность.
В первом исследовании, опубликованном в журнале Science , были разработаны актуаторы в форме пончика, которые обладали способностью и ловкостью захватывать и удерживать малину с помощью роботизированного захвата (и при этом не взрывали фрукт!). Возможная опасность повреждения электрическим разрядом при прохождении через изолирующую жидкость (основная проблема ранее разработанных актуаторов) также была учтена в текущей конструкции, и любое электрическое повреждение самовосстанавливалось или мгновенно устранялось простым притоком новой жидкости в «поврежденную» часть посредством простого процесса перераспределения. Это объясняется использованием более упругого жидкого материала вместо твердого изолирующего слоя, используемого во многих предыдущих конструкциях и мгновенно повреждавшегося. В этом процессе искусственная мышца выдержала более миллиона циклов сокращения. Этот конкретный актуатор, имеющий форму пончика, легко смог захватить малину. Аналогичным образом, изменяя форму этих эластичных мешочков, исследователи создали широкий спектр приводов с уникальными движениями, например, способных с точностью и необходимой силой поднимать даже хрупкое яйцо. Эти гибкие мышцы получили название «гидравлически усиленные самовосстанавливающиеся электростатические приводы» или приводы HASEL. Во втором исследовании, опубликованном в журнале Science Robotics , та же команда создала еще две конструкции мягких мышц, которые сокращаются линейно, очень похоже на человеческий бицепс, что позволяет им многократно поднимать предметы тяжелее собственного веса.
О: Общее мнение таково, что, поскольку роботы - это машины, они, безусловно, должны иметь преимущество перед людьми, но, когда дело доходит до удивительных способностей, которыми обладают наши мускулы, можно просто сказать, что роботы бледнеют по сравнению с ними. Человеческая мышца чрезвычайно мощна, и наш мозг имеет невероятную степень контроля над нашими мышцами. Это причина того, что человеческие мышцы способны с точностью выполнять сложные задачи, например, писать. Наши мышцы постоянно сокращаются и расслабляются при выполнении тяжелой задачи, и говорят, что на самом деле мы используем только около 65 процентов возможностей наших мышц, и этот предел в основном устанавливается нашим мышлением. Если мы можем представить робота с мягкими мышцами, подобными человеческим, сила и возможности были бы огромными. Эти исследования рассматриваются как первый шаг к разработке исполнительного механизма, который однажды, возможно, сможет раскрыть огромные возможности настоящих биологических мышц.
Экономичная «мягкая» робототехника
Авторы говорят, что такие материалы, как полимерные пакеты для картофельных чипсов, масло и даже электроды, недороги и легко доступны, поэтому их стоимость составляет всего 0.9 доллара США (или 10 центов). Это обнадеживает нынешние промышленные производственные предприятия и исследователей, которые расширяют свои знания. Недорогие материалы масштабируемы и совместимы с текущими отраслевыми практиками, и такие устройства могут использоваться для ряда приложений, таких как протезы, или в качестве помощника человека. Это особенно интересный аспект, поскольку термин «робототехника» всегда ассоциируется с высокими затратами. Недостатком такой искусственной мускулатуры является большое количество электроэнергии, необходимой для ее работы, а также вероятность возгорания, если робот резервирует слишком большую часть своей мощности. Мягкие роботы намного более хрупкие, чем их традиционные аналоги-роботы, что усложняет их конструкцию, например, возможность прокалывания, потери мощности и разлива масла. Этим мягким роботам определенно нужен какой-то аспект самовосстановления, как и многим другим мягким роботам.
Эффективные и надежные мягкие роботы могут быть очень полезны в жизни людей, поскольку они могут дополнять людей и работать с ними как «совместные» роботы, а не роботы, заменяющие людей. Кроме того, традиционные протезы рук могут быть более мягкими, приятными и чувствительными. Эти исследования являются многообещающими, и если удастся удовлетворить высокий спрос на электроэнергию, они могут революционизировать будущее роботов с точки зрения их конструкции и того, как они движутся.
Источник (ы)
1. Acome et al. 2018. Гидравлически усиленные самовосстанавливающиеся электростатические актуаторы с характеристиками, подобными мышцам. Science. 359(6371). https://doi.org/10.1126/science.aao6139
2. Келларис и др. 2018. Приводы Peano-HASEL: электрогидравлические преобразователи, имитирующие мышцы, которые линейно сокращаются при активации. Science Robotics . 3(14). https://doi.org/10.1126/scirobotics.aar3276
