3D‑print kan gøre robotteknik sikrere gennem biomimetik

A  undersøgelse offentliggjort i Advanced Intelligent Systems denne måned introducerer en ny form for robotaktuator, der bruger biomimetik til at skabe bevægelse, der ligner, hvordan dine muskler fungerer. Disse bløde aktuatorer gør det muligt for ingeniører at lave fleksible enheder, der kan udføre unikke opgaver som at bøje eller forme former. Her er, hvad du behøver at vide.

Blød robotik

Bløde eller ‘ikke-kompliant’ robotter er et voksende område med ubegrænset potentiale. Disse enheder kan skifte og folde sig for at passe ind i trange sprækker, omkring hjørner og i andre situationer, hvor en stiv enhed ville fejle. Som følge heraf er markedet for blød robotik i vækst, med analytikere der forudsiger en årlig vækstrate på 55,4 % indtil 2029.

Problemer med traditionelle aktuatorer

En faktor, der fortsat begrænser væksten i sektoren for blød robotik, er det nuværende udvalg af aktuatorer. Hver aktuator muliggør en ny bevægelsesvektor for enheden. Dog skaber disse enheder hårde punkter i de ikke-kompliant robotstrukturer. Disse hårde punkter forhindrer ægte bevægelsesfrihed.

Derudover kræves en ekstra aktuator for hver bevægelsesområde. Som følge heraf kan de øge vægten og omkostningerne for disse enheder. Tungere robotter bruger mere energi, hvilket gør dem mindre nyttige, effektive og produktive.

Brug af biomimetik til at skabe en bedre aktuator

The Undersøgelsen dykker ned i en ny form for blød aktuator, der mere præcist ligner menneskelige muskler ved at den både strækker og trækker sig sammen på samme tid. Denne kombination skaber mere kraft og gør det muligt for din krop at overføre den kraft mere effektivt. Indtil nu har robotingeniører primært fokuseret på aktuatorer, der kunne udvide og trække sig sammen, med lidt omtanke for deres stivhed under processen.

Kilde – Advanced Intelligent Systems

Forskere

Forskere fra Northwestern og McCormick School of Engineering gik sammen for at udforske mulighederne for en ny type biomimetisk aktuator. Undersøgelsen blev ledet af Taekyoung Kim. Han fik hjælp fra Pranav Karthik, Ryan Truby og juniorprofessor i materialvidenskab og ingeniørvidenskab samt maskinteknik ved McCormick School of Engineering, Donald Brewer. Sammen skabte dette innovative team en ny fremstillingsproces og fungerende prototyper og udførte dybdegående forskning på deres nye biomimetiske aktuator.

En ny type aktuator

Det første skridt, teamet tog, var at 3D‑printet kroppen på deres enhed. Forskerne måtte finde en struktur, der kunne bøje og dreje, men stadig håndtere tryk, når det var nødvendigt. Specifikt har designet bellow‑elementer, der automatisk deformeres gennem torsionsbuckling ved stigende drejningsmomenter. Denne manøvre skaber en spiralform, der kan overføre torsionsbelastning effektivt.

Bedre materiale til opgaven

De indså tidligt, at de normale 3D‑print‑aktuatormaterialer ikke ville være fleksible nok til at udføre opgaven. Efter megen overvejelse blev det besluttet at bruge termoplastisk polyurethan til deres enhed. Dette materiale findes i mange af de ting, du bruger hver dag. Det er det gummilignende materiale, som dit mobiltelefoncover og andre ejendele bruger for at forblive beskyttede. Bemærkelsesværdigt er dette materiale strækbart og kan håndtere torsionsmoment, hvis det er nødvendigt.

Enkelt motor

En af de største ændringer i forhold til traditionelle aktuatorer, som forskerne foretog, var at fjerne behovet for flere motorer. Deres enhed kunne danne et væld af former og bevæge sig i flere retninger blot ved at dreje den enkelte motor, hvilket får enheden til at udvide og trække sig sammen.

Unikke bevægelser

Den enkelt‑motor‑design giver disse robotter maksimal fleksibilitet. Den kan udvide og dreje for at imødekomme miljøets og målenes behov. Desuden reducerer enkelt‑motor‑designet omkostningerne og kan forenkle designet af fremtidige enheder.

Robotkrabbe

Den første enhed, teamet skabte, var en 26 centimeter lang robotkrabbe. Denne enhed kan udvide og bøje sig afhængigt af det drejningsmoment, der påføres af servomotoren. Robotten er i stand til at bevæge sig som en orm ved at skabe en trækbevægelse, der gør den i stand til at navigere gennem komplekse omgivelser med 32 centimeter per minut.

Teamet testede deres krabber i en offentlig video. Enheden kan ses bevæge sig gennem et komplekst rør, der kræver, at robotten udfører tætte sving for at navigere til frihed. Enheden var let i stand til at gennemløbe de snævre, snoede kurver med succes.

Resultaterne af krabbertesten var positive. Robotten kan strække sig 45 % og dermed blive lang og tynd, når det er nødvendigt. Derudover bemærkede teamet, at enheden har en maksimal blokeret trykkraft på cirka 8 N.

Kunstig biceps

Den næste prototype, som teamet demonstrerede, var en robotbiceps. Denne enhed integrerede en 6‑akset belastningscelle, lineær guide og en enkelt servo for at generere drejningsmoment og bevægelse, der svarer til en menneskelig biceps.

Enheden er lavet af det samme gummimateriale som den bløde aksel. Dette design giver ikke-lineære, viskoelastiske responser. Disse handlinger resulterer i en hysterese kraft‑forskydningsrespons, som gør det muligt for enheden at krølle genstande som en menneskelig arm.

Ingenørerne testede deres robotbiceps for at se dens kapaciteter. Enheden løftede med succes en vægt på 500 g 5.000 gange uden fejl. Disse resultater demonstrerer gentageligheden og effektiviteten af den nye tilgang til robotbevægelser.

Test

Testfasen gav værdifuld feedback til forskerne, som vil søge at forbedre deres fremtidige designs ved hjælp af disse data. Ingenørerne var ivrige efter at indsamle væsentlige oplysninger, herunder aktuatorens drejningsmoment, tryk ved skub og træk, trækstyrke og andre vigtige belastningstest, som kan hjælpe med at bestemme de maksimale kapaciteter for den nye opsætning.

Fordele

Forskernes undersøgelse kan have gennemgribende virkninger på markedet. Feltet for blød robotik fortsætter med at vokse, og efterhånden som flere af disse enheder kommer i produktion, bliver deres fordele mere tydelige. Her er blot nogle få måder, hvorpå denne forskning kan hjælpe med at drive markedet for blød robotik fremad.

Gør robotter sikrere

En af hovedårsagerne til, at der er et skub mod at skabe bløde robotter, er, at de er meget sikrere at arbejde omkring. Jo flere producenter søger at integrere robotteknologi i deres arbejdsstyrke, desto mere almindeligt vil det blive, at mennesker og robotter arbejder side om side. Bløde robotter er en langt bedre arbejds­partner i de fleste scenarier af mange grunde.

For det første er de mindre tilbøjelige til at forårsage skade, hvis du støder ind i dem. At løbe ind i et metalrør er allerede smertefuldt. Smerten kan forværres, hvis den metal­enhed bevæger sig og rammer dig. Bløde robotter vil hjælpe med at eliminere mindre skader som følge af lette bump og kollisioner.

Bløde robotter kan arbejde i miljøer, hvor traditionelle robotter ville blive betragtet som for farlige at anvende. For eksempel kunne de i fremtiden hjælpe med at opdrætte husdyr. Indtil videre er disse enheder bedre egnet til menneskecentrerede miljøer sammenlignet med traditionelle hårde robotter.

Lav pris

En af de største fordele ved undersøgelsen er besparelserne. At skabe robotbetjente og hårde robotter er en dyr opgave, som i årtier har begrænset det til primært store, high‑end producenter. De seneste gennembrud har hjulpet med at udligne spillefeltet for mindre virksomheder.
Denne seneste udvikling sænker omkostningerne yderligere. Ifølge forskernes dokumentation kostede de robotprototyper, de brugte, kun $3 i materialer, eksklusiv servoen. Dette billige alternativ åbner døren for mere integration, da der er mange opgaver, som robotter kunne udføre, men som omkostningsbegrænsninger har begrænset deres brug indtil nu. Snart kan lavpris‑blød robotik findes som hjælp i din daglige hverdag.

Brug almindelige 3D‑printere.

Et andet gennembrud var introduktionen af en 3D‑printer‑venlig biomimetisk aktuator. Evnen til at fremstille disse enheder ved hjælp af en standard 3D‑printer betyder, at enhver kan integrere forskernes undersøgelsesresultater og skabe nye og innovative bløde robotdesigns.

Integreret

Forskerne er stolte af, at deres nye aktuator kan integreres problemfrit i nutidens robotdesigns. Dette skridt vil hjælpe med at fremme adoption og strømline innovation. Det hjælper også udviklere med at få øjeblikkelig feedback på deres forskning, efterhånden som flere ingeniører udnytter deres strategi.

Nuværende markedsledere

Markedet for blød robotik har hård konkurrence blandt de førende aktører. En nylig undersøgelse fandt, at kun 5 top‑producenter kontrollerer 40 % af markedet for blød robotik. Den samme undersøgelse viste, at Nordamerika fører løbet i forhold til adoption. Nogle af de førende producenter inkluderer Parker Hannifin, SRT, Myomo, Bionik Laboratories og Panasonic.

1. Cyberdyne

Cyberdyne er en cybernetik‑teknologivirksomhed, der søger at kombinere AI, robotteknik og informationssystemer for at skabe et nyt niveau af effektivitet og kapabiliteter. Virksomheden er en pioner på cybernetik‑markedet og anerkendes som en af de førende forskere og producenter af bløde robotenheder.
Cyberdyne har oplevet imponerende vækst. Virksomheden så sin omsætning vokse med +52 % fra ¥2,15 milliarder til ¥3,29 milliarder på et enkelt år. En stor del af denne vækst kan tilskrives succesfulde projekter inden for medicinsk udstyr.

2. Soft Robotics

Soft Robotics er en anden vigtig aktør i sektoren. Denne virksomhed specialiserer sig i automatiseret fremstilling og landbrugsopgaver. Dens enheder integrerer avancerede visuelle inspektionsløsninger og AI‑algoritmer for at sikre, at deres enhed kan plukke, sortere og identificere genstande med præcision.
Soft Robotics introducerer en blød grebshånd, der udnytter 3D‑vision og AI til at udføre komplekse opgaver, som tidligere kun var mulige for mennesker. Disse enheder giver dyrkere høje hastigheder i plukning, sortering og pakning. Bemærkelsesværdigt er Soft Robotics et fremragende eksempel på, hvordan bløde robotter kan forbedre produktiviteten.

3. Ekso Bionics Holdings

(EKSO )

Ekso Bionics Holdings er en global leder inden for exoskelet‑teknologi. Virksomhedens teknologi tjener flere roller inden for både sundhedspleje og fremstilling. De tilbyder i øjeblikket en række exoskeletter, der specifikt bruges til rehabilitering, terapi og til at hjælpe personer med mobilitetsproblemer med at komme sig.
Ekso tilbyder både overkrops‑ og underkrops‑exoskeletter. Disse enheder gør det muligt for brugeren at rejse længere, løfte mere og håndtere større belastning uden udmattelse. Virksomhedens positionering og banebrydende produkter har hjulpet den med at sikre enorme indtægtsstigninger siden 2022.

Virksomheder, der kunne drage fordel af den biomimetiske aktuator

Mange virksomheder kunne bruge forskernes undersøgelse til at forbedre deres nuværende tilbud. Disse virksomheder er allerede aktive på markedet og tilbyder produkter, der kan få forbedringer fra denne teknologi i form af større effektivitet, lavere omkostninger eller bedre produkter.

ReWalk Robotics

ReWalk er en leverandør af bioniske gangsystemer. Virksomheden har hjulpet tusindvis af mennesker med at genvinde deres mobilitet takket være sin innovative tilgang og fokus. ReWalk Robotics søger at hjælpe paraplegikere med at genvinde kontrollen over deres liv ved hjælp af deres unikke produkter.

ReWalk‑bionik‑gangassistenten har servo‑drevne benseler, et rygsækt batteri og en håndledsmonteret fjernbetjening. Denne enhed kan indstilles til at bevæge sig på kommando eller automatisk registrere bevægelse. I denne tilstand kan systemet forstærke brugerens handlinger med minimal indsats.

ReWalk Robotics har en konsensusvurdering af “køb” på grund af sin position på markedet. Virksomheden fortsætter med at skubbe grænserne med sine unikke designs og produkter. Introduktionen af yderligere teknologi, såsom AI og biomimetiske aktuatorer, kunne i fremtiden reducere omkostningerne ved deres enheder betydeligt.

RightHand Robotics

RightHand Robotics er en anden producent af bløde robotter. Virksomheden er beliggende i Boston og tilbyder et udvalg af produkter, der er designet til at levere effektive plukningsløsninger til markedet. Virksomheden ønsker at give forhandlere mulighed for at gennemføre strømlinet online handel med hjælp fra deres robot‑sorteringsmuligheder.
Bemærkelsesværdigt har RightHand Robotics modtaget flere anerkendelser for deres indsats. Virksomheden blev udnævnt til Robotics Company of the Year ved New England Venture Capital Association (NEVY) Awards for deres arbejde inden for området.

Biomimetik vil gøre livet lettere for alle.

I fremtiden vil robotter indtage mange flere roller. Bløde robotter vil hjælpe med at fremme denne integration, da disse enheder er bedre egnet til at arbejde side om side med mennesker end traditionelle enheder. Indtil videre kan forskningen udført af disse ingeniører hjælpe med at gøre robotter fra sjældne til meget overkommelige muligheder, som alle kan købe. Derfor er det klogt at følge disse udviklinger, mens de udfolder sig.
Lær om andre spændende projekter nu