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 обычно используются в промышленных приложениях, например, как часть автоматизации, особенно на производстве, потому что они предназначены для выполнения повторяющихся задач, требующих большой силы и мощности. Роботы взаимодействуют с физическим миром через датчики и приводы в них, и их можно перепрограммировать, что делает их более полезными и гибкими, чем обычные однофункциональные машины. Судя по тому, как эти роботы предназначены для выполнения работы, очевидно, что их движения чрезвычайно жесткие, иногда резкие, машинные, тяжелые, внушительные и бесполезны, когда конкретная задача требует переменного количества силы в разное время. точки. Роботы также иногда опасны и могут нуждаться в безопасных вольерах, поскольку они нечувствительны к окружающей среде. В области робототехники изучаются различные дисциплины для проектирования, создания, программирования и эффективного использования роботизированных машин в различных областях промышленности и медицинских технологий с различными требованиями.
В недавних исследованиях близнецов под руководством Кристофа Кеплингера исследователи приспособили роботов к новому классу мышц, которые очень похожи на наши человеческие мышцы, и они обладают силой и чувствительностью, как и мы. Основная идея состоит в том, чтобы обеспечить более «естественные» движения машине, то есть роботам. 99.9% всех роботов сегодня - это жесткие машины, сделанные из стали или металла, тогда как биологическое тело мягкое, но обладает невероятными возможностями. Эти роботы с «мягкими» или «более настоящими» мускулами могут быть соответствующим образом сконструированы для выполнения рутинных и деликатных задач (которые человеческие мышцы выполняют ежедневно), например, для сбора мягких фруктов или помещения яйца в корзину. По сравнению с традиционными роботами, роботы оснащены 'искусственные мышцыбудут похожи на «более мягкие» версии самих себя и более безопасные, а затем их можно будет настроить для выполнения практически любой задачи в непосредственной близости от людей, предлагая несколько возможных приложений, связанных с человеческой жизнью и вокруг нее. Мягких роботов можно назвать «коллаборативными» роботами, поскольку они будут уникальным образом спроектированы для выполнения конкретной задачи так же, как и человек.
Исследователи пытались создать роботов с мягкими мышцами. Такому роботу потребуется софт мышца технология имитации человеческих мышц, и две такие технологии были опробованы исследователями - пневматические приводы и приводы из диэлектрического эластомера. «Актуатор» определяется как фактическое устройство, которое перемещает робота, или как робот показывает определенное движение. В пневматических приводах мягкий мешочек накачивается газами или жидкостями для создания определенного движения. Это простая конструкция, но все же мощная, хотя насосы непрактичны и имеют громоздкие резервуары. Вторая технология - приводы из диэлектрического эластомера используют концепцию приложения электрического поля к изолирующему гибкому пластику для его деформации и, таким образом, создания движения. Эти две технологии сами по себе еще не были успешными, потому что, когда электрический разряд проходит через пластик, эти устройства с треском выходят из строя и, следовательно, не устойчивы к механическим повреждениям.
Роботы, похожие на людей, с похожими мышцами
В исследованиях близнецов, о которых сообщалось в Наука1 и Науки Робототехника2, исследователи взяли положительные стороны двух доступных технологий мягких мышц и создали простой активатор, похожий на мягкие мышцы, который использует электричество для изменения движения жидкостей внутри небольших мешочков. Эти гибкие полимерные пакеты содержат изолирующую жидкость, например обычное масло (растительное масло или масло канолы) из супермаркета, или можно использовать любую аналогичную жидкость. После того, как напряжение было приложено между электрогелевыми электродами, помещенными между двумя сторонами мешочка, стороны стянулись друг к другу, произошел спазм масла, сжимающий жидкость в нем и заставляющую ее течь внутри мешочка. Это напряжение вызывает искусственное сокращение мышц, и после отключения электричества масло снова расслабляется, имитируя искусственный расслабление мышц. Привод изменяет форму таким образом, и объект, который соединен с приводом, показывает движение. Следовательно, эта «искусственная мышца» сокращается и расслабляется (сгибается) мгновенно за миллисекунды таким же образом, с той же точностью и силой, что и настоящие скелетные мышцы человека. Эти движения могут даже превзойти скорость человеческих мышечных реакций, потому что человеческие мышцы одновременно взаимодействуют с мозгом, вызывая задержку, хотя и незаметную. Таким образом, благодаря этой конструкции была получена гидравлическая система с прямым электрическим управлением, обладающая универсальностью и высокими характеристиками.
В первом исследовании1 in Наука, приводы были сконструированы в форме пончика, и они обладали способностью и ловкостью подбирать и удерживать малину с помощью роботизированного захвата (и не взрывать фрукты!). Возможные повреждения, нанесенные разрядом электричества при прохождении через изолирующую жидкость (основная проблема с ранее разработанными приводами), также были учтены в текущей конструкции, и любые электрические повреждения были самовлечены или устранены мгновенно с помощью только новых попадание жидкости в «поврежденную» часть посредством простого процесса перераспределения. Это было связано с использованием жидкого материала, который является более эластичным, вместо твердого изоляционного слоя, который использовался во многих предыдущих конструкциях и который был мгновенно поврежден. В этом процессе искусственная мышца пережила более миллиона циклов сокращения. Этот конкретный привод, имеющий форму пончика, легко мог собирать малину. Точно так же, адаптировав форму этих эластичных мешочков, исследователи создали широкий спектр исполнительных механизмов с уникальными движениями, например, они могут даже подбирать хрупкое яйцо с точностью и точно требуемой силой. Эти гибкие мышцы были названы «самовосстанавливающимися электростатическими приводами с гидравлическим усилением» или приводами HASEL. Во втором исследовании2 опубликованной в Робототехника, та же команда создала две другие конструкции мягких мышц, которые сокращаются линейно, очень похоже на человеческий бицепс, таким образом, имея способность многократно поднимать предметы тяжелее их 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.
{Вы можете прочитать исходную исследовательскую работу, щелкнув ссылку DOI, приведенную ниже в списке цитируемых источников}
Источник (ы)
1. Acome et al. 2018. Самовосстанавливающиеся электростатические приводы с гидроусилителем и мускулистыми характеристиками. Наука. 359 (6371). https://doi.org/10.1126/science.aao6139
2. Kellaris et al. 2018. Приводы Peano-HASEL: мускулистые электрогидравлические преобразователи, которые линейно сокращаются при активации. Робототехника. 3 (14). https://doi.org/10.1126/scirobotics.aar3276
