Wat zijn zachte robots?
Zachte robotica is een speciaal gebied van robotica dat zich bezighoudt met
Zachte robotica is grotendeels afhankelijk vanhoe levende organismen bewegen en zich aanpassen aan hun omgeving. In tegenstelling tot robots die zijn gemaakt van stijve materialen, bieden zachte robots meer flexibiliteit en aanpassingsvermogen om taken uit te voeren, evenals meer veiligheid bij het werken met mensen. Door deze eigenschappen kan het worden gebruikt in de geneeskunde en de industrie.
Zachte robotica ontwerpt voornamelijkrobots volledig gemaakt van zachte materialen. Als gevolg hiervan zien de resulterende robots eruit als ongewervelde dieren zoals wormen of octopussen. Het simuleren van de beweging van dergelijke robots is een moeilijke taak. Het is een feit dat het voor dergelijke processen noodzakelijk is om de methoden van continuümmechanica toe te passen. Daarom worden zachte robots ook wel continuümrobots genoemd.
Continuümmechanica is een tak van de mechanica, continuümfysica en fysica van gecondenseerde materie die zich toelegt op de beweging van gasvormige, vloeibare en vervormbare vaste stoffen, evenals krachtinteracties in dergelijke lichamen.
Hybriden van zachte en harde robots
Om biologische verschijnselen te bestuderen, creëren wetenschappers zachte robots naar het beeld van levende organismen en voeren ze experimenten uit die moeilijk uit te voeren zijn op echte organismen.
Er zijn echter starre robots die ook in staat zijn tot continue vervorming, zoals de snake robot.
Zachte constructies kunnen worden gebruikt als onderdeel vangrotere stijve robot. Robot zachte effectoren voor het grijpen en manipuleren van objecten bieden een voordeel. Het punt is dat ze geen breekbare voorwerpen vernietigen.
Het is ook mogelijk om hybride soft-hard te makenrobots met een intern stijf frame en externe zachte elementen. Zachte elementen kunnen veel functies hebben: zowel werkingsmechanismen die lijken op die van dierlijke spieren als dempingsmateriaal om de veiligheid te garanderen bij een botsing met mensen.
Een robot op wielen met zachte benen en de mogelijkheid om over de grond te bewegen.
Foto: Ali Sadeghi, Alessio Mondini, Emanuela Del Dottore, Anand Kumar Mishra en Barbara Mazzolai
Zachte robots kunnen in elke vorm worden gebogenformulier. Ze zijn gemaakt van zeer zacht materiaal, waaronder nanomaterialen. Hierdoor lijken ze meer op menselijke lichaamsdelen, zoals spieren. Je zou eigenlijk kunnen zeggen dat deze robots bijna tot leven komen met behulp van nanomaterialen.
Ondanks veel onderzoek op het gebied van zachte robots staan ingenieurs nog aan het begin van hun reis. Deskundigen voorspellen echter dat hun markt in 2024 een waarde van 2,16 miljard dollar zal bereiken.
Waarin verschillen zachte robots van gewone robots?
Metalen robots zijn veel beperkter. Ze zijn ontworpen met het oog op snelheid en precisie, waardoor ze ideaal zijn voor zaken als lopende banden. Maar ze zijn niet zo universeel.
Zachte robots zijn anders dan industriële ofcollaboratieve robots doordat hun constructie is gemaakt van zachte, buigzame materialen. Hun ontwerp is heel anders dan elke andere vorm van robots, en evenzo hebben zachte robots heel verschillende functies.
De meeste zachte robots zijn er nogin de vroege stadia van ontwikkeling, en de allereerste zachte robot werd in 2011 ontwikkeld door Harvard-professor George Whitesides. Sindsdien is het aantal en de soorten zachte robots enorm toegenomen. Hoewel hun daadwerkelijke commerciële levensvatbaarheid nog enkele jaren kan duren, vertegenwoordigen ze nog steeds een opwindende technologie met een groot potentieel.
Zachte robots - een opwindende innovatie in de wereldrobotica. De bovenstaande vijf soorten zachte robots hebben mogelijk het grootste commerciële potentieel van alle soorten zachte robots die momenteel worden ontwikkeld.
In tegenstelling tot industriële of collaboratieve robots, dienen zachte robots een breed scala aan toepassingen.
Hoe worden zachte robots gebruikt?
De aantrekkingskracht van zachte robots ligt in hun flexibiliteit en veelzijdigheid.
6 veelbelovende soorten zachte robots
Er zijn veel verschillende soorten zachte robots, maar er zijn 6 verschillende toepassingen die het grootste commerciële potentieel beloven.
- Robotic spieren:Er worden momenteel verschillende typen ontwikkeldzachte robots die zullen fungeren als robotspieren. Een van de meest veelbelovende prototypes is geïnspireerd op origami. De gevouwen structuur kan duizend keer zijn eigen gewicht tillen en heeft een lengte van enkele millimeters tot een meter. Bovendien werken wetenschappers nu aan het maken van robots op nanoschaal uit DNA.
- Klimrobots:dit soort robots hebben veel potentieeltoepassingen variërend van inspectie en onderhoud van gebouwen tot zoek- en reddingsoperaties. Een versie van de zachte klimrobots heeft een gebogen ontwerp, net als een rups. Hierdoor kan hij structuren van verschillende groottes op en neer kruipen.
- Eetbare robots. Het eerste project van dergelijke robots gemaakt door het schoolteam in Philadelphia voor de jaarlijkse Soft Robotics-wedstrijd. Deze biologisch afbreekbare robots kunnen veilig medicijnen afgeven aan verschillende delen van het lichaam.
- Draagbare robots.Deze biomimetische apparaten kunnen helpeneen patiënt die lichamelijke revalidatie ondergaat. De zachte robot bootst de natuurlijke beweging van het lichaam na, waar het ook is, waardoor de patiënt weer normaal kan functioneren.
- Prothetische robots.Zachte robots kunnen worden gebruikt om te creërensuperieure protheses voor mensen die ledematen of lichaamsdelen missen. Vaak wordt zachte robotica-technologie gebruikt aan het uiteinde van een prothetische hand om voorwerpen delicater en nauwkeuriger vast te pakken.
- Astronaut-robots.NASA-wetenschappers suggereren dat ze op een dag op het oppervlak van Mars zullen vliegen. Anderen ontwerpen al robots die zullen werken in de moeilijkst bereikbare delen van het menselijk lichaam.
Hoewel zachte robots ook kunnen worden gebruikt inindustriële omgevingen - vooral als collaboratieve robots (ook bekend als "cobots") die met mensen werken, zijn ze daar nauwelijks toe beperkt.
'S Werelds eerste zachte autonome robot
In 2016 gebruikten wetenschappers van Harvardvloeibaar siliconenrubber voor de ontwikkeling van Octobot, 's werelds eerste zachte autonome robot. Geïnspireerd door octopussen kunnen deze zachte robots ronddraaien en obstakels overwinnen die misschien niet mogelijk zijn voor scherpe, stijve metalen robots zoals afgebeeld in 'The Terminator' of 'Star Wars'.
Verrassend genoeg is Octobot goedkoper om te produceren,dan een latte, en het kost maar 5 cent om bij te tanken. Je kunt je voorstellen dat honderden goedkope zachte robots worden gestuurd om de scène te onderzoeken, obstakels en knelpunten te overwinnen om te helpen bij de reddingsoperatie.
“Het belangrijkste doel van zachte robotica is niet creërenultraprecieze machines omdat we ze al hebben '', zei biomedisch ingenieur Jada Gerboni in haar TED-talk uit 2018. "En om robots in staat te stellen onverwachte situaties in de echte wereld te weerstaan."
Zachte robots in de geneeskunde
Zachte robots kunnen worden gebruikt alschirurgische en medische instrumenten (met name endoscopen). Hun voordeel is dat ze zich gemakkelijker door lichaamsstructuren bewegen dan traditionele instrumenten. Dit geeft artsen een duidelijker beeld van het gebied van het lichaam van de patiënt dat ze willen onderzoeken.
Volledig zachte robotkleding die mensen kan helpen zich te verplaatsen, is een stap dichter bij de realiteit met de ontwikkeling van een nieuw flexibel en lichtgewicht voedingssysteem voor zachte robotica.
Ontdekking gemaakt door een team uit BristolUniversiteit, zou de weg kunnen vrijmaken voor draagbare hulpmiddelen voor mensen met een handicap en mensen die lijden aan leeftijdsgebonden spierdegeneratie. Het onderzoek is vandaag gepubliceerd inWetenschap Robotica.
Nieuwe slanke en lichtgewicht pomp van creditcardformaat. Krediet: Tim Helps, Universiteit van Bristol.
Zachte robots zijn gemaakt van buigzame materialen,die kan uitrekken en draaien. Deze materialen kunnen worden gebruikt om kunstmatige spieren te maken die samentrekken wanneer er lucht in wordt gepompt. De zachtheid van deze spieren maakt het gebruik van ondersteunende kleding mogelijk. Tot nu toe werden deze pneumatische kunstspieren echter aangedreven door conventionele elektromagnetische (motoraangedreven) pompen, die omvangrijk, luidruchtig, complex en duur zijn.
Onderzoekers bij Bristol SoftLaben het Bristol Robotics Laboratory, geleid door Robotics Professor Jonathan Rossiter, hebben met succes een nieuwe elektropneumatische pomp gedemonstreerd die zacht, flexibel, goedkoop en gemakkelijk te vervaardigen is.
In het artikel beschrijft het team hoe het nieuwe zacht isEen pomp ter grootte van een creditcard kan kunstmatige spieren aandrijven met een luchtblaas en vloeistoffen pompen. Het team schetst ook hun volgende stappen om krachtige kleding te realiseren.
Evenzo, op koolstof gebaseerde titaniumpolymerenkan worden gebruikt in combinatie met synthetische polymeren om ultradunne kunstmatige spieren te creëren. Deze technologie is tentoongesteld in kunstreproducties van dansende vlinders, fladderende bladeren en bloeiende bloemen bij het Korea Advanced Institute of Science and Technology.
Hoe werken zachte robots?
Zachte robots speciaal ontworpen voorimitaties van het leven, moeten vaak cyclische stress ervaren bij het verplaatsen of het uitvoeren van een andere taak. In het geval van de hierboven beschreven lamprei of inktvisachtige robot zou het bijvoorbeeld elektrolyse van water en ontsteking van gas vereisen om te bewegen, wat resulteert in een snelle uitzetting om de robot voort te stuwen. Deze zich herhalende en explosieve uitzetting en samentrekking zal een intense cyclische belasting op het geselecteerde polymeermateriaal creëren. Een robot onder water in Europa zou bijna onmogelijk te repareren of vervangen zijn, dus zorg moet worden besteed aan het selecteren van een materiaal en een ontwerp dat het optreden en de voortplanting van vermoeiingsscheuren tot een minimum beperkt. In het bijzonder moet een materiaal worden gekozen met een uithoudingsgrens of een spanningsamplitudefrequentie waarboven de vermoeiingskarakteristiek van het polymeer niet langer afhankelijk is van de frequentie.
Omdat zachte robots zijn gemaakt van zachtmaterialen moet rekening worden gehouden met temperatuurinvloeden. De vloeispanning van het materiaal heeft de neiging af te nemen met de temperatuur, en bij polymere materialen is dit effect zelfs nog meer uitgesproken. Bij kamertemperatuur en hogere temperaturen kunnen lange ketens in veel polymeren uitrekken en langs elkaar glijden, waardoor lokale spanningsconcentratie in één gebied wordt voorkomen en het materiaal plastic wordt. Maar de meeste polymeren ondergaan een ductiele naar brosse overgangstemperatuur waaronder er niet genoeg thermische energie is om lange ketens op deze ductiele manier te laten reageren, en vernietiging is veel waarschijnlijker. Aangenomen wordt dat de neiging van polymere materialen om broos te worden bij lagere temperaturen, de oorzaak is van de ramp met de Challenger-shuttle, en deze neiging moet zeer serieus worden genomen, vooral voor de zachte robots die in de geneeskunde zullen worden geïntroduceerd. De ductiele naar brosse overgangstemperatuur hoeft niet als "koud" te worden beschouwd, en is in feite een kenmerk van het materiaal zelf, afhankelijk van de kristalliniteit, taaiheid, zijgroepgrootte (in het geval van polymeren) en andere factoren.
Nadelen van technologie
Zachte robots zijn niet zonder nadelen.Concreet ontdekten de wetenschappers dat vloeistofactuators (de apparaten die robots feitelijk animeren) langzaam worden ingeschakeld vanwege de enorme hoeveelheid vloeistof die nodig is voor beweging, of omdat hun stroom wordt vertraagd door verschillende structuren in het apparaat (zoals buizen en kleppen). ).
Onderzoekers van Harvard zijn echter in ontwikkelingtijdelijke oplossing. Merk op dat het buigen van dergelijk speelgoed veel energie vrijgeeft, en ze ontwerpen actuatoren met twee uitschuifbare deksels, de ene in de andere. Wanneer de buitendop wordt opgeblazen, neemt de druk tegen de binnendop toe. Wanneer het buigt, brengt het vrijkomen van energie het apparaat in beweging.
Zachte robots hebben dat potentieelstrekt zich uit tot Mars en terug, en ze zullen de komende jaren ongetwijfeld een groot deel van de samenleving gaan uitmaken. Hun mogelijkheden worden alleen beperkt door de menselijke verbeelding.
Zachte robots en mensen
Softbody-robots bieden de mogelijkheid voorsociale en tactiele interacties tussen mensen en robots, die een zorgvuldige afweging vereisen van de mogelijkheid van ongepaste emotionele gehechtheden, evenals persoonlijk en sociaal destructief gedrag van gebruikers. Ethische kwesties met betrekking tot mens-robotinteractie en hoe deze moeten bijdragen aan het ontwerp van zachte robotica in de context van sociale interactie worden besproken in een artikel voor het tijdschrift Soft Robotics.
Thomas Arnold en Matthias Schoitz, Tufts University,Medford, Massachusetts, was co-auteur van een artikel met de titel "The Tactile Ethics of Soft Robotics: Intelligent Design for Human-Robot Interaction." Ze onderzoeken een breed scala aan onderwerpen, waaronder het vermogen van zachte robots om hun omgeving aan te raken en ermee te communiceren, de mogelijke risico's van het vormen van eenrichtingsverkeer tussen menselijke emotionele verbindingen met robots, en waar sociale robots voor moeten worden ontworpen. Om enkele ethische kwesties in verband met zachte robotica en de mogelijke risico's voor de samenleving te illustreren, bespreken de auteurs het voorbeeld van seksrobots.
Artsen Arnold en Schoitz suggereren drie veel voorkomendehet principe van het ontwikkelen van zachte robotica in de context van een sociaal persoon en een robot. Ze moedigen de gemeenschap van zachte robotica aan om deze ethische kwesties aan te pakken als een manier om de kwaliteit en efficiëntie van de interactie tussen mens en robot te verbeteren. “Zachte robottechnologie zal ons straks machines opleveren die direct met mensen in wisselwerking staan; het is belangrijk dat we gaan nadenken over de impact die ze kunnen hebben op sociale situaties. Dit artikel schetst enkele van de belangrijkste kwesties en biedt een uitstekende leidraad voor een serieuze bespreking van de mens-robotrelatie ”, besluit Barry A. Trimmer, Ph.D., die het Laboratorium voor Neuromechanica en Biomimetische Apparaten leidt aan de Tufts University in Medford, Massachusetts. .
Lees ook
De eerste nauwkeurige kaart van de wereld is gemaakt. Wat is er mis met de rest?
Kijk naar Hubble-foto's van planetaire nevels.
Natuurkundigen hebben een analoog van een zwart gat gemaakt en de theorie van Hawking bevestigd. Waar leidt het toe?