Weiche Roboter behandeln Menschen und erkunden den Weltraum. Verstehen, wie sie funktionieren

Was sind weiche Roboter?

Soft Robotics ist ein Spezialgebiet der Robotik, das sich mit diesem Thema befasst

durch den Bau von Robotern aus Materialien mit einem hohen Grad an Verträglichkeit, wie sie in lebenden Organismen vorkommen.

Weiche Robotik hängt weitgehend davon abwie sich lebende Organismen bewegen und an ihre Umwelt anpassen. Im Gegensatz zu Robotern aus starren Materialien bieten weiche Roboter eine erhöhte Flexibilität und Anpassungsfähigkeit bei der Ausführung von Aufgaben sowie eine erhöhte Sicherheit bei der Arbeit mit Menschen. Diese Eigenschaften ermöglichen die Verwendung in Medizin und Industrie.

Soft Robotics entwirft hauptsächlichRoboter ganz aus weichen Materialien. Infolgedessen sehen die resultierenden Roboter wie wirbellose Tiere wie Würmer oder Tintenfische aus. Die Bewegung solcher Roboter zu simulieren ist eine schwierige Aufgabe. Tatsache ist, dass für solche Prozesse die Methoden der Kontinuumsmechanik angewendet werden müssen. Aus diesem Grund werden weiche Roboter manchmal als Kontinuumsroboter bezeichnet.

Rückruf der Kontinuumsmechanik - AbschnittMechanik, Physik kontinuierlicher Medien und Physik kondensierter Materie, die sich der Bewegung gasförmiger, flüssiger und verformbarer Feststoffe sowie Kraftwechselwirkungen in solchen Körpern widmen.

Hybriden von weichen und harten Robotern

Um biologische Phänomene zu untersuchen, erstellen Wissenschaftler weiche Roboter nach dem Vorbild lebender Organismen und führen Experimente durch, die an realen Organismen nur schwer durchzuführen sind.

Es gibt jedoch starre Roboter, die auch eine kontinuierliche Verformung bewirken können, wie beispielsweise den Schlangenroboter.

Weiche Konstruktionen können als Teil von verwendet werdengrößerer starrer Roboter. Roboter-Soft-Effektoren zum Greifen und Manipulieren von Objekten bieten einen Vorteil. Der Punkt ist, dass sie keine zerbrechlichen Objekte zerstören.

Es ist auch möglich, Hybrid-Soft-Hard zu erstellenRoboter mit einem inneren starren Rahmen und äußeren weichen Elementen. Weiche Elemente können viele Funktionen haben: sowohl tierische Muskeln als auch Polstermaterial, um die Sicherheit bei Kollisionen mit Menschen zu gewährleisten.

Ein fahrbarer Roboter mit weichen Beinen und Bodenbewegungsfähigkeiten.
Foto: Ali Sadeghi, Alessio Mondini, Emanuela Del Dottore, Anand Kumar Mishra und Barbara Mazzolai

Weiche Roboter können gegebenenfalls gebogen werdengestalten. Sie bestehen aus einem sehr weichen Material, einschließlich Nanomaterialien. Dadurch sehen sie eher wie menschliche Körperteile aus, wie Muskeln. In der Tat können wir sagen, dass diese Roboter mit Hilfe von Nanomaterialien fast zum Leben erweckt werden.

Trotz vieler Forschungen auf dem Gebiet der weichen Roboter stehen die Ingenieure noch am Anfang ihrer Reise. Experten sagen jedoch voraus, dass ihr Markt bis 2024 2,16 Milliarden US-Dollar erreichen wird.

Wie unterscheiden sich weiche Roboter von gewöhnlichen Robotern?

Metallroboter sind viel begrenzter. Sie wurden mit Blick auf Geschwindigkeit und Präzision gebaut und eignen sich daher ideal für Arbeiten am Fließband. Aber sie sind nicht so universell.

Weiche Roboter unterscheiden sich von industriellen oderkollaborative Roboter, bei denen ihre Konstruktion aus weichen, biegsamen Materialien besteht. Ihr Design unterscheidet sich stark von jeder anderen Form von Robotern, und ähnlich weiche Roboter erfüllen sehr unterschiedliche Funktionen.

Die meisten weichen Roboter sind noch inIn den frühen Entwicklungsstadien wurde der allererste weiche Roboter 2011 von Harvard-Professor George Whitesides entwickelt. Seitdem haben die Anzahl und die Typen von Softrobotern dramatisch zugenommen. Obwohl sie einige Jahre von ihrer tatsächlichen wirtschaftlichen Rentabilität entfernt sein mögen, stellen sie dennoch eine aufregende Technologie mit großem Potenzial dar.

Weiche Roboter - eine aufregende Innovation in der WeltRobotik. Die oben genannten fünf Arten von weichen Robotern haben möglicherweise das größte kommerzielle Potenzial aller Arten von weichen Robotern, die derzeit entwickelt werden.

Im Gegensatz zu Industrierobotern oder kollaborativen Robotern dienen Softroboter einer Vielzahl von Anwendungen.

Wie werden weiche Roboter eingesetzt?

Der Reiz von weichen Robotern liegt in ihrer Flexibilität und Vielseitigkeit.

6 vielversprechende Arten von weichen Robotern

Es gibt viele verschiedene Arten von Softrobotern, aber es gibt 6 verschiedene Anwendungen, die das größte kommerzielle Potenzial versprechen.

  1. Robotermuskeln: verschiedene Arten von weichenRoboter, die als Robotermuskeln arbeiten. Einer der vielversprechendsten Prototypen lässt sich von Origami inspirieren. Seine gefaltete Struktur kann das 1000-fache seines Eigengewichts heben und lässt sich von wenigen Millimetern auf einen Meter Länge skalieren. Darüber hinaus arbeiten Wissenschaftler derzeit daran, nanoskalige Roboter aus DNA herzustellen.
  2. Kletterroboter: Diese Robotertypen haben viele MöglichkeitenAnwendungen von der Bauinspektion und -wartung bis hin zu Such- und Rettungsaktionen. Eine Version der weichen Kletterroboter hat ein gebogenes Design, das einer Raupe sehr ähnlich ist. Dadurch kann er Strukturen unterschiedlicher Größe auf und ab kriechen.
  3. Essbare Roboter. Das erste Projekt solcher Roboter Erstellt vom Schulteam in Philadelphia für den jährlichen Soft Robotics-Wettbewerb. Diese biologisch abbaubaren Roboter können sicher Medikamente an verschiedene Körperteile abgeben.
  4. Tragbare Roboter. Diese biomimetischen Geräte können helfenein Patient, der sich einer körperlichen Rehabilitation unterzieht. Der weiche Roboter ahmt die natürliche Bewegung des Körpers nach, wo immer er sich befindet, und hilft dem Patienten, die normale motorische Funktion wiederherzustellen.
  5. Prothesenroboter. Zum Erstellen können weiche Roboter verwendet werdenHervorragende Prothesen für Menschen, denen Gliedmaßen oder Körperteile fehlen. Am Ende einer Handprothese wird häufig die Soft-Robotics-Technologie verwendet, um Objekte feiner und genauer zu greifen.
  6. Astronautenroboter. Wissenschaftler der NASA spekulieren, dass sie eines Tages über die Marsoberfläche fliegen werden. Andere entwickeln bereits Roboter, die in den unzugänglichsten Teilen des menschlichen Körpers funktionieren.

Zwar können auch weiche Roboter eingesetzt werdenIndustrieumgebungen - insbesondere als kollaborative Roboter (auch als "Cobots" bekannt), die mit Menschen arbeiten, sind sie kaum darauf beschränkt.

Der weltweit erste weiche autonome Roboter

Im Jahr 2016 verwendeten Harvard-Wissenschaftlerflüssiger Silikonkautschuk für die Entwicklung von Octobot, dem weltweit ersten weichen autonomen Roboter. Inspiriert von Tintenfischen können diese weichen Roboter Hindernisse drehen und überwinden, die für scharfe, harte Metallroboter wie die in The Terminator oder Star Wars dargestellten möglicherweise unmöglich sind.

Überraschenderweise ist Octobot billiger in der Herstellung,als ein Latte, und es kostet nur 5 Cent, um es zu tanken. Man kann sich vorstellen, dass Hunderte billiger Softroboter geschickt werden, um die Szene zu untersuchen, Hindernisse und Engpässe zu überwinden und die Rettungsaktion zu unterstützen.

„Das Hauptziel der weichen Robotik ist nicht zu schaffenHochpräzise Maschinen, weil wir sie bereits haben “, sagte die biomedizinische Ingenieurin Jada Gerboni in ihrem TED-Vortrag 2018. "Und Roboter in die Lage zu versetzen, unerwarteten Situationen in der realen Welt standzuhalten."

Weiche Roboter in der Medizin

Weiche Roboter können als verwendet werdenchirurgische und medizinische Instrumente (insbesondere Endoskope). Ihr Vorteil ist, dass sie sich leichter durch Körperstrukturen bewegen als herkömmliche Instrumente. Dies gibt Ärzten ein klareres Bild des Körperbereichs des Patienten, den sie untersuchen möchten.

Vollweiche Roboterkleidung, die Menschen dabei helfen kann, sich zu bewegen, kommt der Realität mit der Entwicklung eines neuen flexiblen und leichten Antriebssystems für weiche Robotik einen Schritt näher.

Die Entdeckung einer Gruppe aus BristolUniversität könnte den Weg für tragbare Hilfsmittel für Menschen mit Behinderungen und Menschen mit altersbedingter Muskelentartung ebnen. Forschung heute veröffentlicht in Wissenschaftsrobotik.

Neue schlanke und leichte Pumpe in Kreditkartengröße. Bildnachweis: Tim Helps, Universität Bristol.

Weiche Roboter bestehen aus biegsamen Materialien.die sich dehnen und verdrehen kann. Diese Materialien können verwendet werden, um künstliche Muskeln herzustellen, die sich zusammenziehen, wenn Luft in sie gepumpt wird. Die Weichheit dieser Muskeln ermöglicht die Verwendung von unterstützender Kleidung. Bisher wurden diese pneumatischen künstlichen Muskeln jedoch von herkömmlichen elektromagnetischen (motorgetriebenen) Pumpen angetrieben, die sperrig, laut, komplex und teuer sind.

Forscher am Bristol SoftLabund das Bristol Robotics Laboratory unter der Leitung von Robotikprofessor Jonathan Rossiter haben erfolgreich eine neue elektropneumatische Pumpe demonstriert, die weich, flexibel, kostengünstig und einfach herzustellen ist.

In dem Artikel beschreibt das Team, wie der neue SoftEine Pumpe in Kreditkartengröße kann künstliche Muskeln mit einer Luftblase antreiben und Flüssigkeiten pumpen. Das Team skizziert auch die nächsten Schritte, um kraftvolle Kleidung Wirklichkeit werden zu lassen.

Ebenso Titanpolymere auf Kohlenstoffbasiskann in Kombination mit synthetischen Polymeren verwendet werden, um ultradünne künstliche Muskeln zu erzeugen. Diese Technologie wurde in Kunstreproduktionen von tanzenden Schmetterlingen, flatternden Blättern und blühenden Blumen am Korea Advanced Institute of Science and Technology gezeigt.

Wie funktionieren weiche Roboter?

Weiche Roboter speziell fürNachahmungen des Lebens müssen häufig zyklischen Belastungen ausgesetzt sein, wenn sie sich bewegen oder eine andere Aufgabe ausführen. Zum Beispiel würde im Fall des oben beschriebenen Neunauge- oder Tintenfisch-ähnlichen Roboters eine Elektrolyse von Wasser und eine Zündung von Gas erforderlich sein, um sich zu bewegen, was zu einer schnellen Expansion führt, um den Roboter vorwärts zu treiben. Diese sich wiederholende und explosive Expansion und Kontraktion erzeugt eine intensive zyklische Belastung des ausgewählten Polymermaterials. Ein Roboter unter Wasser in Europa kann kaum repariert oder ersetzt werden. Daher muss sorgfältig darauf geachtet werden, ein Material und eine Konstruktion auszuwählen, die das Auftreten und die Ausbreitung von Ermüdungsrissen minimieren. Insbesondere sollte ein Material mit einer Dauerfestigkeit oder einer Spannungsamplitudenfrequenz gewählt werden, oberhalb derer die Ermüdungseigenschaft des Polymers nicht mehr von der Frequenz abhängt.

Da sind weiche Roboter aus weichemMaterialien müssen Temperatureffekte berücksichtigt werden. Die Streckgrenze des Materials neigt dazu, mit der Temperatur abzunehmen, und bei Polymermaterialien ist dieser Effekt noch ausgeprägter. Bei Raumtemperatur und höheren Temperaturen können sich lange Ketten in vielen Polymeren dehnen und aneinander entlang gleiten, wodurch eine lokale Spannungskonzentration in einem Bereich verhindert und das Material plastisch wird. Die meisten Polymere unterliegen jedoch einer Übergangstemperatur von duktil zu spröde, unterhalb derer nicht genügend Wärmeenergie vorhanden ist, damit lange Ketten auf diese duktile Weise reagieren können, und eine Zerstörung ist viel wahrscheinlicher. Es wird angenommen, dass die Tendenz, dass Polymermaterialien bei niedrigeren Temperaturen spröde werden, die Ursache für die Challenger-Shuttle-Katastrophe ist und sehr ernst genommen werden sollte, insbesondere für die weichen Roboter, die in die Medizin eingeführt werden. Die Übergangstemperatur von duktil zu spröde muss nicht als "kalt" angesehen werden und ist in der Tat ein Merkmal des Materials selbst, abhängig von seiner Kristallinität, Zähigkeit, Seitengruppengröße (im Fall von Polymeren) und anderen Faktoren.

Nachteile der Technologie

Weiche Roboter sind nicht ohne Mängel.Insbesondere haben Wissenschaftler herausgefunden, dass sich Flüssigkeitsantriebe - Geräte, die Roboter tatsächlich animieren - aufgrund der schieren Flüssigkeitsmenge, die zum Bewegen erforderlich ist, oder weil ihr Fluss durch verschiedene Strukturen innerhalb des Geräts (wie Rohre und Ventile) verlangsamt wird, langsam einschalten. ..

Harvard-Forscher entwickeln sich jedoch weiterProblemumgehung. Sie stellen fest, dass das Biegen solcher Spielzeuge viel Energie freisetzt, und konstruieren Aktuatoren mit zwei herausziehbaren Abdeckungen ineinander. Wenn die äußere Kappe aufgeblasen wird, steigt der Druck auf die innere Kappe an. Wenn es sich biegt, setzt die Freisetzung von Energie das Gerät in Bewegung.

Weiche Roboter haben das Potenzialerstreckt sich bis zum Mars und zurück, und sie werden zweifellos in den kommenden Jahren ein großer Teil der Gesellschaft werden. Ihre Fähigkeiten sind nur durch die menschliche Vorstellungskraft begrenzt.

Weiche Roboter und Menschen

Soft-Body-Roboter bieten die Möglichkeit fürsoziale und taktile Interaktionen zwischen Menschen und Robotern, die eine sorgfältige Abwägung der Möglichkeit unangemessener emotionaler Bindungen und des persönlichen und sozial destruktiven Verhaltens der Benutzer erfordern. Ethische Fragen im Zusammenhang mit der Mensch-Roboter-Interaktion und wie sie zur Gestaltung der weichen Robotik im Kontext der sozialen Interaktion beitragen sollten, werden in einem Artikel für die Zeitschrift Soft Robotics erörtert.

Thomas Arnold und Matthias Schoitz, Tufts University,Medford, Massachusetts, war Co-Autor eines Artikels mit dem Titel "Die taktile Ethik der weichen Robotik: Intelligentes Design für die Mensch-Roboter-Interaktion". Sie untersuchen eine breite Palette von Themen, einschließlich der Fähigkeit von weichen Robotern, ihre Umgebung zu berühren und mit ihr zu interagieren, der potenziellen Risiken, emotionale Einweg-Verbindungen zwischen Menschen und Robotern herzustellen, und der Frage, wofür soziale Roboter entwickelt werden sollten. Um einige der ethischen Probleme im Zusammenhang mit der weichen Robotik und die potenziellen Risiken für die Gesellschaft zu veranschaulichen, diskutieren die Autoren das Beispiel von Sexrobotern.

Arnold und Schoitz schlagen drei gemeinsame vordas Prinzip der Entwicklung einer weichen Robotik im Kontext einer sozialen Person und eines Roboters. Sie ermutigen die Community der Soft Robotics, sich mit diesen ethischen Fragen zu befassen, um die Qualität und Effizienz der Mensch-Roboter-Interaktion zu verbessern. „Die Soft-Robot-Technologie wird uns bald Maschinen bringen, die direkt mit Menschen interagieren. Es ist wichtig, dass wir darüber nachdenken, welche Auswirkungen sie auf soziale Situationen haben können. Dieses Papier umreißt einige der wichtigsten Themen und bietet eine hervorragende Anleitung für eine ernsthafte Diskussion der Mensch-Roboter-Beziehung “, schließt Dr. Barry A. Trimmer, der das Labor für Neuromechanik und biomimetische Geräte an der Tufts University in Medford, Massachusetts, leitet .

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