Kas ir mīkstie roboti?
Mīkstā robotika ir īpaša robotikas nozare, kas nodarbojas ar
Mīkstā robotika lielā mērā ir atkarīga nokā dzīvie organismi pārvietojas un pielāgojas savai videi. Atšķirībā no robotiem, kas būvēti no cietiem materiāliem, mīkstie roboti nodrošina lielāku elastību un pielāgošanās spēju uzdevumu veikšanai, kā arī paaugstinātu drošību darbā ar cilvēkiem. Šīs īpašības ļauj to izmantot medicīnā un rūpniecībā.
Mīkstā robotika galvenokārt izstrādāroboti, kas pilnībā izgatavoti no mīkstiem materiāliem. Rezultātā iegūtie roboti izskatās kā bezmugurkaulnieki, piemēram, tārpi vai astoņkāji. Šādu robotu kustības imitēšana ir grūts uzdevums. Fakts ir tāds, ka šādiem procesiem ir jāpiemēro kontinuuma mehānikas metodes. Tāpēc mīkstos robotus dažreiz sauc par nepārtrauktiem robotiem.
Atgādināsim, kontinuuma mehānika - sadaļamehānika, kontinuuma fizika un kondensēto vielu fizika, kas veltīta gāzveida, šķidru un deformējamu cietvielu kustībai, kā arī spēku mijiedarbībai šādos ķermeņos.
Mīksto un cieto robotu hibrīdi
Lai pētītu bioloģiskās parādības, zinātnieki izveido mīkstus robotus dzīvo organismu tēlā un veic eksperimentus, kurus ir grūti veikt ar reāliem organismiem.
Tomēr ir stingri roboti, kas spēj arī nepārtraukti deformēties, piemēram, čūskas robots.
Kā daļu no tā var izmantot mīkstas konstrukcijaslielāks stingrs robots. Robotu mīkstie efektori priekšmetu satveršanai un manipulēšanai sniedz priekšrocības. Lieta ir tāda, ka tie neiznīcina trauslus priekšmetus.
Ir iespējams arī izveidot hibrīdu soft-hardroboti, kuriem ir iekšējs stingrs rāmis un ārējie mīkstie elementi. Mīkstajiem elementiem var būt daudzas funkcijas: gan iedarbības mehānismi, kas ir līdzīgi dzīvnieku muskuļiem, gan amortizējošs materiāls, lai nodrošinātu drošību sadursmes gadījumā ar cilvēkiem.
Riteņrobots ar mīkstām kājām un spēju pārvietoties pa zemi.
Foto: Ali Sadeghi, Alessio Mondini, Emanuela Del Dottore, Anand Kumar Mishra un Barbara Mazzolai
Mīkstos robotus var saliekt jebkurā formāformā. Tie ir izgatavoti no ļoti mīksta materiāla, tostarp nanomateriāliem. Tas padara tās vairāk līdzīgas cilvēka ķermeņa daļām, piemēram, muskuļiem. Patiesībā varētu teikt, ka šie roboti gandrīz atdzīvojas ar nanomateriālu palīdzību.
Neskatoties uz daudzajiem pētījumiem mīksto robotu jomā, inženieri joprojām ir sava ceļojuma pašā sākumā. Tomēr eksperti prognozē, ka līdz 2024. gadam viņu tirgus sasniegs 2,16 miljardus dolāru.
Ar ko mīkstie roboti atšķiras no parastajiem robotiem?
Metāla roboti ir daudz ierobežotāki. Tie tika veidoti, domājot par ātrumu un precizitāti, padarot tos ideāli piemērotus tādām lietām kā konveijera darbs. Bet tie nav tik universāli.
Mīkstie roboti atšķiras no rūpnieciskajiem vaisadarbības roboti, jo to konstrukcija ir izgatavota no mīkstiem, elastīgiem materiāliem. To dizains ļoti atšķiras no jebkura cita veida robotiem, un līdzīgi mīkstie roboti veic ļoti dažādas funkcijas.
Lielākā daļa mīksto robotu joprojām ir iekšāagrīnās attīstības stadijās, un pašu pirmo mīksto robotu 2011. gadā izstrādāja Hārvardas profesors Džordžs Vaitesīds. Kopš tā laika mīksto robotu skaits un veidi ir dramatiski pieauguši. Neskatoties uz to, ka to faktiskā komerciālā dzīvotspēja var būt vairākus gadus, viņi joprojām ir aizraujoša tehnoloģija ar lielu potenciālu.
Mīkstie roboti - aizraujoša inovācija pasaulērobotika. Iepriekš minētajiem piecu mīksto robotu veidiem var būt vislielākais komerciālais potenciāls no visiem pašlaik izstrādātajiem mīkstajiem robotiem.
Atšķirībā no rūpnieciskajiem vai sadarbības robotiem, mīkstie roboti kalpo ļoti dažādām lietojumprogrammām.
Kā tiek izmantoti mīkstie roboti?
Mīksto robotu pievilcība ir to elastībā un daudzpusībā.
6 daudzsološi mīksto robotu veidi
Ir daudz dažādu mīksto robotu veidu, taču ir 6 dažādas lietojumprogrammas, kas sola vislielāko komerciālo potenciālu.
- Robotu muskuļi: šobrīd tiek izstrādāti vairāki veidimīksti roboti, kas darbosies kā robotu muskuļi. Viens no daudzsološākajiem prototipiem iedvesmojies no origami. Tā salocītā struktūra var pacelt 1000 reižu lielāku par savu svaru, un tās garums ir no dažiem milimetriem līdz metram. Turklāt tagad zinātnieki strādā pie nanomēroga robotu izveides no DNS.
- Kāpšanas roboti:šāda veida robotiem ir daudz iespējusākot no ēkas pārbaudes un apkopes līdz meklēšanas un glābšanas darbiem. Vienai mīksto kāpšanas robotu versijai ir izliekta konstrukcija, kas ir ļoti līdzīga kāpuram. Tas ļauj viņam pārmeklēt dažāda lieluma struktūras augšup un lejup.
- Ēdami roboti. Pirmais šādu robotu projekts izveidoja skolas komanda Filadelfijā ikgadējām Mīkstās robotikas sacensībām. Šie bioloģiski noārdāmie roboti var droši piegādāt zāles uz dažādām ķermeņa daļām.
- Valkājami roboti.Šīs biomimetiskās ierīces var palīdzētpacients, kuram tiek veikta fiziskā rehabilitācija. Mīkstais robots atdarina ķermeņa dabisko kustību, lai kur tas atrastos, palīdzot pacientam atjaunot normālu motora darbību.
- Protezēšanas roboti.Lai izveidotu, var izmantot mīkstos robotusizcila protezēšana cilvēkiem, kuriem trūkst ekstremitāšu vai ķermeņa daļu. Bieži vien mīkstās robotikas tehnoloģija tiek izmantota protēzes rokas galā, lai smalkāk un precīzāk satvertu priekšmetus.
- Astronautu roboti. NASA zinātnieki ierosina, ka kādu dienu viņi lidos uz Marsa virsmas. Citi jau izstrādā robotus, kas darbosies visgrūtāk aizsniedzamajās cilvēka ķermeņa daļās.
Kaut arī mīkstos robotus var izmantot arīrūpnieciskā vide - it īpaši kā sadarbības roboti (saukti arī par "kobotiem"), kas strādā ar cilvēkiem, ar to diez vai aprobežojas.
Pirmais pasaulē mīkstais autonomais robots
2016. gadā Hārvardas zinātnieki izmantojašķidrā silikona gumija Octobot, pasaulē pirmā mīkstā autonomā robota, izstrādei. Iedvesmojoties no astoņkājiem, šie mīkstie roboti var griezties un pārvarēt šķēršļus, kas var nebūt iespējami asiem, stingriem metāla robotiem, piemēram, tiem, kas attēloti filmās "Terminators" vai "Zvaigžņu kari".
Pārsteidzoši, ka Octobot ir lētāk ražot,nekā latte, un tās uzpildīšana maksā tikai 5 centus. Var iedomāties, ka simtiem lētu mīkstu robotu tiek nosūtīti, lai izpētītu notikuma vietu, pārvarētu šķēršļus un vājās vietas, lai palīdzētu glābšanas operācijā.
“Mīkstās robotikas galvenais mērķis nav radītļoti precīzas mašīnas, jo mums tās jau ir, "sacīja biomedicīnas inženieris Jada Gerboni savā 2018. gada TED sarunā. "Un padarīt robotus spējīgus izturēt negaidītas situācijas reālajā pasaulē."
Mīkstie roboti medicīnā
Mīkstos robotus var izmantot kāķirurģiski un medicīniski instrumenti (jo īpaši endoskopi). Viņu priekšrocība ir tā, ka viņi pārvietojas pa ķermeņa konstrukcijām vieglāk nekā tradicionālie instrumenti. Tas ārstiem sniedz skaidrāku priekšstatu par pacienta ķermeņa zonu, kuru viņi vēlas pārbaudīt.
Pilnībā mīksts robotu apģērbs, kas var palīdzēt cilvēkiem pārvietoties, ir solis tuvāk realitātei, izstrādājot jaunu elastīgu un vieglu enerģijas sistēmu mīkstajai robotikai.
Atklājumu veikusi komanda no BristolesUniversitāte varētu pavērt ceļu valkājamām palīgierīcēm cilvēkiem ar invaliditāti un tiem, kas cieš no ar vecumu saistītas muskuļu deģenerācijas. Pētījums tika publicēts šodienZinātnes robotika.
Jauns, viegls un viegls kredītkartes izmēra sūknis. Kredīts: Tim Helps, Bristoles universitāte.
Mīkstie roboti ir izgatavoti no elastīgiem materiāliem,kas var izstiepties un savīties. No šiem materiāliem var izgatavot mākslīgos muskuļus, kas saraujas, kad tajos tiek iesūknēts gaiss. Šo muskuļu maigums ļauj izmantot atbalsta apģērbu. Tomēr līdz šim šos pneimatiskos mākslīgos muskuļus darbināja parastie elektromagnētiskie (ar motoru darbināmie) sūkņi, kas ir apjomīgi, trokšņaini, sarežģīti un dārgi.
Pētnieki Bristol SoftLabun Bristoles robotikas laboratorija, kuru vada robotikas profesors Džonatans Rossiters, ir veiksmīgi demonstrējuši jaunu elektropneimatisko sūkni, kas ir mīksts, elastīgs, lēts un viegli izgatavojams.
Rakstā komanda apraksta, kā jaunais mīkstaisKredītkartes izmēra sūknis var vadīt mākslīgos muskuļus ar gaisa pūsli un sūknēt šķidrumus. Komanda arī izklāsta savus nākamos soļus, lai spēcīgu apģērbu padarītu par realitāti.
Tāpat titāna polimēri uz oglekļa bāzesvar izmantot kopā ar sintētiskiem polimēriem, lai izveidotu īpaši plānus mākslīgos muskuļus. Šī tehnoloģija ir demonstrēta dejojošu tauriņu, plandošu lapu un ziedošu ziedu mākslas reprodukcijās Korejas progresīvajā zinātnes un tehnoloģijas institūtā.
Kā darbojas mīkstie roboti?
Mīkstie roboti, kas īpaši paredzētidzīves imitācijas, bieži jāpārvieto ciklisks stress, pārvietojoties vai veicot jebkuru citu uzdevumu. Piemēram, iepriekš aprakstītā nēģa vai sēpijām līdzīga robota gadījumā kustībai būtu nepieciešama ūdens elektrolīze un gāzes aizdedzināšana, kā rezultātā strauji izplešas, lai robotu virzītu uz priekšu. Šī atkārtotā un eksplozīvā izplešanās un saraušanās radīs intensīvu ciklisko slodzi uz izvēlēto polimēra materiālu. Robotu zem ūdens Europā gandrīz neiespējami salabot vai nomainīt, tāpēc ir jāpievērš uzmanība materiāla un konstrukcijas izvēlei, kas mazina noguruma plaisu rašanos un izplatīšanos. Īpaši jāizvēlas materiāls ar izturības robežu vai stresa amplitūdas frekvenci, kuru pārsniedzot polimēra noguruma raksturojums vairs nav atkarīgs no frekvences.
Tā kā mīkstie roboti ir izgatavoti no mīkstajiemmateriāliem, jāņem vērā temperatūras ietekme. Materiāla tecēšanas spriegumam ir tendence samazināties līdz ar temperatūru, un polimērmateriālos šī ietekme ir vēl izteiktāka. Istabā un augstākā temperatūrā daudzu polimēru garās ķēdes var izstiepties un slīdēt gar otru, novēršot lokālu stresa koncentrāciju vienā apgabalā un padarot materiālu plastisku. Bet lielākajai daļai polimēru notiek mainīga līdz trausla pārejas temperatūra, zem kuras nepietiek siltuma enerģijas, lai garās ķēdes reaģētu šādā kaļamā veidā, un iznīcināšana ir daudz ticamāka. Tiek uzskatīts, ka tendence polimērmateriāliem kļūt trausliem zemākā temperatūrā ir Challenger shuttle katastrofas cēlonis, un tā ir jāuztver ļoti nopietni, it īpaši attiecībā uz mīkstajiem robotiem, kas tiks ieviesti medicīnā. Kaļamā un trauslā pārejas temperatūrai nav jābūt tādai, ko var uzskatīt par "aukstu", un tā faktiski ir paša materiāla īpašība, atkarībā no tā kristāliskuma, izturības, sānu grupas lieluma (polimēru gadījumā) un citiem faktoriem.
Tehnoloģijas trūkumi
Mīkstie roboti nav bez trūkumiem.Konkrētāk, zinātnieki atklāja, ka šķidruma izpildmehānismi — ierīces, kas faktiski animē robotus — lēni ieslēdzas kustībai nepieciešamā šķidruma daudzuma dēļ vai tāpēc, ka to plūsmu palēnina dažādas ierīces struktūras (piemēram, caurules un vārsti ).
Tomēr Hārvardas pētnieki attīstāsapiet. Atzīmējot, ka šādu rotaļlietu saliekšana atbrīvo daudz enerģijas, viņi projektē izpildmehānismus ar diviem izvelkamiem vākiem, vienu iekšpusē. Kad ārējais vāciņš ir piepūsts, spiediens palielinās uz iekšējo vāciņu. Kad tas izliekas, enerģijas atbrīvošana liek ierīci iedarbināt.
Mīkstajiem robotiem ir potenciālsattiecas uz Marsu un atpakaļ, un nākamajos gados viņi, bez šaubām, kļūs par lielu sabiedrības daļu. Viņu iespējas ierobežo tikai cilvēka iztēle.
Mīkstie roboti un cilvēki
Mīksta ķermeņa roboti piedāvā iespējusociālā un taktilā mijiedarbība starp cilvēkiem un robotiem, kas prasa rūpīgi apsvērt nepiemērotu emocionālo pieķeršanās iespēju un lietotāju personisko un sociāli destruktīvo uzvedību. Ētikas jautājumi, kas saistīti ar cilvēka un robota mijiedarbību, un tas, kā tiem būtu jāveicina mīkstās robotikas izstrāde sociālās mijiedarbības kontekstā, tiek apspriesti žurnāla Soft Robotics rakstā.
Tomass Arnolds un Matiass Šoitcs, Tufts Universitāte,Medforda, Masačūsetsa, ir līdzautors rakstam "Mīkstās robotikas taustāmā ētika: inteliģents dizains cilvēku un robotu mijiedarbībai". Viņi pēta plašu tēmu loku, tostarp mīksto robotu spēju pieskarties savai videi un mijiedarboties ar to, potenciālos riskus, kas rodas, veidojot cilvēka vienvirziena emocionālos sakarus ar robotiem, un kādiem sociālajiem robotiem jābūt veidotiem. Lai ilustrētu dažus ar mīksto robotiku saistītos ētikas jautājumus un iespējamos riskus sabiedrībai, autori apspriež seksa robotu piemēru.
Arnolds un Šoitcs iesaka trīs izplatītusmīkstās robotikas izstrādes princips sociālās personas un robota kontekstā. Viņi mudina mīksto robotiku kopienu pievērsties šiem ētikas jautājumiem kā veidu, kā uzlabot cilvēka un robota mijiedarbības kvalitāti un efektivitāti. “Mīksto robotu tehnoloģija drīz mums parādīs mašīnas, kas tieši mijiedarbojas ar cilvēkiem; ir svarīgi, lai mēs sāktu domāt par to ietekmi uz sociālajām situācijām. Šajā rakstā ir izklāstīti daži galvenie jautājumi un sniegtas lieliskas vadlīnijas nopietnai diskusijai par cilvēka un robota attiecībām, ”secina Barijs A. Trimers, Ph.D., kurš vada Neuromehānikas un biomimetisko ierīču laboratoriju Tufts Universitātē Medfordā, Masačūsetsā. .
Lasīt arī
Tika izveidota pirmā precīzā pasaules karte. Kas vainas visiem pārējiem?
Apskatiet Habla fotogrāfijas ar planētu miglājiem.
Fiziķi ir izveidojuši melnā cauruma analogu un apstiprinājuši Hokinga teoriju. Kur tas ved?