Forbedring af blød robotteknik med ‘Legemlig energi’ åbner nye muligheder

Robotteknik er et hurtigt voksende marked, forventet at udvide fra $94,54 milliarder i 2024 til at overstige $372,59 milliarder i 2034. 

Industrielle robotter leder i øjeblikket denne vækst. I dag er der mere end 3.4 million industrielle robotter, der arbejder for at gøre vores liv lettere. Industrielle virksomheder planlægger også at investere 25 % af deres kapital i industriel automatisering i løbet af de næste fem år.

Efterhånden som robotteknik får mere opmærksomhed, får også en underdisciplin af robotteknik forskernes interesse. Efterhånden som efterspørgslen efter robotter stiger i anvendelser ud over industriel automatisering, får underdisciplinen blød robotteknik stigende interesse.

Disse robotter efterligner bevægelsesmekanismerne hos bløde og fleksible kroppe i naturen, såsom slanger, regnorme, ål, blæksprutter og andre. 

Blød robotteknik henter inspiration fra de biologiske strukturer i disse bløde kroppe for deres glatte og komplekse bevægelse. I stedet for at bruge hårde, metalliske komponenter som traditionelle robotter, er bløde robotter typisk fremstillet af smidige materialer som gel og gummi. Dette gør dem i stand til at tilpasse sig komplekse miljøer og interagere sikkert med mennesker.

Til deres aktuation anvendes en række forskellige metoder, såsom varmestimulering, elektriske signaler og lufttryk, blandt andre. Kilderne til deres aktivering findes typisk uden for robotternes kroppe og styrer deres bevægelser.

Disse robotter giver fordelene ved tilpasningsevne og øget sikkerhed. Brugen af fleksible og lette materialer gør især disse maskiner velegnede til direkte menneskelig interaktion, da det reducerer risikoen for skade. Dette gør dem yderst gavnlige i anvendelser som sundhedspleje og bærbar teknologi.

Fleksible led og bløde gribere gør det muligt for disse robotter at bøje, dreje og strække sig let. Evnen til at udføre biologiske bevægelser gør dem anvendelige i opgaver, der måske ikke er sikre for mennesker eller kræver høj kontrolgrad. Deres strukturelle fleksibilitet og fingerfærdighed gør dem også velegnede til håndtering af skrøbelige genstande og udførelse af andre delikate opgaver.

Men naturligvis står bløde robotter også over for udfordringer som begrænset styrke, lav præcision, lav holdbarhed, vanskeligheder ved fremstilling og skalering samt behovet for avancerede algoritmer og omfattende sensorsystemer.

Dog, da bløde robotters kapacitet tæt matcher bløde biologiske organismer, er de et lovende element inden for en række områder som sundhedspleje, landbrug, søgning og redning samt rumforskning.

Flere lovende bløde robotter er allerede blevet udviklet. For eksempel Harvards tentakelrobot, hvis geléagtige bløde griber kan forsigtigt gribe skrøbelige genstande ved at efterligne mekanikken i krøllet hår.

Inden for sundhedssektoren har K-FLEX fra Korea Advanced Institute of Science and Technology evnen til at udføre ardannelsefri endoskopisk kirurgi, og MIT’s bioniske hjerte kan hjælpe medicinske fagfolk med at studere hjerte-kar-sygdomme og bestemme den bedste behandlingsplan for patienter.

Bløde robotter anvendes også til at udforske oceanerne. For nogle år siden præsenterede kinesiske forskere en selvforsynet blød robot, der kan nå det dybeste punkt — Mariana-graven. Med hensyn til rumudforskning kan NASA-sponsorerede gravende bløde robotter navigere i sandet terræn og kan en dag blive sendt for at udforske Jupiters måner.

Efterhånden som forskningen omkring bløde robotter skrider frem, kan de endda forventes at erstatte stive robotter i forskellige anvendelser. 

Udviklingen af bløde robotarter

En ny undersøgelse fra Cornell Engineering har præsenteret en ubundet terrestrisk krybende robot med et integreret modulært strømsystem gennem hele dens bløde krop. 

Før de skabte denne ormrobot, byggede laboratoriet en geléagtig robot i samarbejde med Archer Group fra Cornell Engineering. Begge er direkte efterkommere af en vandig blød robot, der blev præsenteret for seks år siden. 

Så, tilbage i 2019, præsenterede forskere fra Cornell University et papir¹ med titlen “Electrolytic vascular systems for energy-dense robots.” Systemet, som efterlignede redox-flow-batterier, kombinerede funktionerne for hydraulisk kraftoverførsel, aktuation og energilagring i ét design, der øgede robotens energitæthed og gjorde det muligt at operere i op til 36 timer. 

Til dette hentede forskerne inspiration fra en løvefisk, som bruger bølgende, vifteformede finner til at glide gennem koralrev.

På det tidspunkt bemærkede forskerne, at “denne brug af elektrokemisk energilagring i hydraulikvæsker kunne muliggøre øget energitæthed, autonomi, effektivitet og multifunktionalitet i fremtidige robotdesigns.”

For et par måneder siden blev et nyt papir², “The multifunctional use of an aqueous battery for a high capacity jellyfish robot,” udgivet. Denne gang blev en RFB formet som en geléagtig robot, hvilket muliggør en multifunktionel brug af energi. 

Geléagtige dyr er fortrinsvis lavet af et stof kaldet “mesoglea”, som fungerer som et indre skelet. Dette materiale gør geléagtiges krop elastisk og hjælper med at genoprette formen efter deformation på grund af muskelkontraktion. Mesoglea består af mikrofibriller indeholdende fibrillin, som geléagtige dyr bruger til at drive deres muskler samt muliggøre bevægelse og fødeindtag.

Robotten blev udelukkende drevet af RFB’er med øget volumen- og arealetætheden af energi, hvilket resulterede i en lang driftstid for UUV’er, der hovedsageligt består af væske, som er elektrokemisk energitæt.

Nu har forskningen³ udviklet sig yderligere, på samme måde som livet på land, drevet af batteriudvikling og design.

Ifølge Rob Shepherd, professor i mekanisk og rumfartsingeniør, som ledede den forrige og dette nye projekt:

“Dette er, hvordan livet på land udviklede sig. Man starter med fisken, derefter får man en simpel organisme, der er støttet af jorden. Ormen er en simpel organisme, men den har flere frihedsgrader.”

Den samme “robotblod,” dvs. den hydrauliske væske, der lagrede energi og drev tidligere robotters anvendelser, understøtter også den nye robotart. Denne gang har forskerne dog yderligere forbedret designet for at opnå større batterikapacitet og effekt tæthed.

Geléagtige dyr, bemærkede Shepherd, har meget mere kapacitet i forhold til sin vægt. Dette øgede den tid, robotfisken kunne rejse, hvilket var længere end den faktiske fisks. Nu er deres første version over jorden ormen, som får opdrift, når den er under vand, og som ikke har brug for et skelet, hvilket betyder, at den ikke behøver at være stiv.

Klik her for at lære, om keramik er nøglen til at udvide sanser i blød robotteknik.

Legemlig energi driver bløde robotter

Efterhånden som efterspørgslen efter øget smidighed i robotteknik vokser, vil deres kompleksitet også stige. Dette betyder en stigning i tætheden af sensorer og frihedsgrader (DoF), som er den uafhængige bevægelse af et objekt.

Som følge heraf vil robotternes strømforbrug sandsynligvis også stige, hvilket gør energikapacitet til en vigtig faktor, der skal overvejes.

Her kommer legemlig energi i spil. Det er en designstrategi, der forbedrer systemets energitæthed gennem multifunktionel brug af indlejrede energikilder. Denne tilgang inkluderer grundlæggende energikilder i maskinens krop, hvilket reducerer dens omkostninger og vægt.

Den modelar ormrobot, der er bygget af Organic Robotics Lab, og deres geléagtige robot demonstrerer begge fordelene ved denne ‘legemlige energi’. 

Ved at indlejre den energi, der er lagret i batterier, i en integreret del af robotens struktur og maskineri, har forskerne kunnet opnå bedre resultater. Undersøgelsen bemærkede:

“Indlejring af en energikilde i motor-drevne seneaktuatormoduler giver en kunstig muskel enhed, som kan sammensættes i robotter, der er i stand til langvarigt, nyttigt arbejde.”

Begge robotter har en redox-flow-batteri (RFB), som er en type elektrokemisk system, der lagrer energi leveret af to kemiske komponenter opløst i væske. 

I tilfældet med den geléagtige robot blev RFB bygget med en sene. Når senen trækkes, ændrer den formen på klokken og skubber væsnet opad, hvorefter det synker igen, når klokken slapper af. 

Endnu vigtigere har den geléagtige robot et par redox-batterier: zinkiodid (ZnI2) og zinkbromid (ZnBr2). Brom blev tilsat iod i et af batterierne for at forbedre ionetransporten, hvilket øgede batterikapaciteten og effekt tæthed. Som følge heraf var den geléagtige robot hurtigere og mere smidig med en driftstid på omkring 90 minutter.

Nu, for at undgå problemet med dendritopbygning på batteriernes elektriske underlag, som hindrer opladning og afladning, anvendte forskerne grafen. Påføring af grafen gjorde det muligt for dem at matche krystallplanerne bedre og opnå en mere jævn belægning af zink. 

Ormrobotten har et compartmentaliseret design. Ormens krop består af en række sammenkoblede kapsler, hvor hver indeholder en motor og en seneaktuator, så ormen kan komprimere og udvide sin form. Hver kapsel indeholder også en bunke anolyttposer, der er nedsænket i en katolyte.

Et væsentligt element i designet var brugen af en tørklæbe-metode til automatisk at binde Nafion-separatorer til ormens silikone-urethan-kopolymerkrop. Separatoren holder anolytter og katolytter adskilt, mens den tillader ladningen at bevæge sig mellem dem, hvilket driver elektroner gennem motoren.

“Der er mange robotter, der drives hydraulisk, og vi er de første til at bruge hydraulisk væske som batteri, hvilket reducerer robotens samlede vægt, fordi batteriet tjener to formål: at levere energi til systemet og give kraften til at få den til at bevæge sig. Så kan man have ting som en orm, hvor næsten al energien er i væsken, så den kan rejse over lange afstande.”

– Shepherd

Ved test af ormrobotten fandt forskerne, at den kan krype langs jorden samt bevæge sig op og ned i et lodret rør. Selvom robotormen kan navigere i en indelukket, buet sti og klatre op og ned, er den ret langsom, men stadig hurtigere end andre hydraulisk drevne ormrobotter. På en enkelt opladning tager ormen 35 timer om at tilbagelægge 105 meter.

Ifølge forskerne kan ormen anvendes til udforskning af begrænsede miljøer som lange og smalle passager og muligvis udføre reparationer. Med hensyn til den geléagtige robot kan den bruges til havundersøgelser. 

Støttet af Office of Naval Research og Basic Energy Sciences Program fra Department of Energy er denne forskning kun begyndelsen, da deres fremtidige arbejde vil fokusere på en fuldstændig flydende RFB. Undersøgelsen bemærkede, at polysulfid-iodid-batteriet, med sin høje energitæthed og lave omkostninger, især viser lovende potentiale for anvendelser inden for blød robotteknik.

I sidste ende har teamet som mål at bygge højkapacitets robotter med legemlig energi. Disse fremtidige robotter vil også have skeletter og kan endda gå, hvilket resulterer i robotter, der ligner mennesker.

“Et ufuldstændigt organisme. Men stadig klarer sig ret godt.”

– Shepherd

Relevante virksomheder

Lad os nu se på et par børsnoterede virksomheder, der hjælper med at fremme robotteknikområdet. 

1. iRobot Corporation

iRobot er en global forbrugerrobotvirksomhed, der beskæftiger sig med design, fremstilling og salg af holdbare robotter. Dens produkter omfatter Roomba, Braava og Root. iRobot har solgt titusinder af sine robotter verden over.

Med en markedsværdi på $231 millioner handles iRobot-aktier i øjeblikket til $7,59, ned 2,45 % år‑til‑dato. Dens EPS (TTM) er -4,60, mens dens P/E (TTM)-ratio er -1,64.

Senest rapporterede virksomheden foreløbige finansielle resultater for fjerde kvartal 2024, hvorefter den forventer en omsætning på $171 millioner og et GAAP driftsunderskud på $59 millioner. Den forventer også, at likvide midler og likvide tilsvarende ved udgangen af regnskabsåret 2024 vil være omkring $134 millioner.

Resultaterne, sagde administrerende direktør Gary Cohen, “afspejler højere end forventet sæsonbestemt promotionsudgift for at stimulere salget inden vores nye produktlanceringer i 2025.” Han delte også, at iRobot har “fundamentalt ændret den måde, vi innoverer, udvikler og bygger vores robotter på,” og at de planlagte produktlanceringer “der er designet til at begejstre forbrugerne med funktionsrige robotter og forbedre forbrugeroplevelsen” er på rette vej til at blive udgivet i år.

2. Teradyne

Teradyne er en global leverandør af automatiseret testudstyr og robotløsninger og opererer gennem fire segmenter med fokus på halvledere, trådløse produkter, systemer inden for lager, rumfart og kredsløbskort samt robotteknik, som omfatter robotarme, autonome mobile robotter og avanceret robotstyringssoftware.

Virksomheden har implementeret mere end 80.000 avancerede robotsystemer verden over og har investeret over $700 millioner i avanceret robotteknik og automatisering. Teradynes MiR-robotter strømliner intern transport og materialehåndtering, mens deres cobots understøtter et bredt udvalg af anvendelser. Deres automatiseringsløsninger gør det muligt for virksomheder at forbedre deres driftsmæssige effektivitet ved at integrere maskinernes kraft.

Med en markedsværdi på $18,74 milliarder handles Teradyne-aktier i øjeblikket til $116, ned 8,61 % år‑til‑dato. Dens EPS (TTM) er 3,32, mens dens P/E (TTM)-ratio er 34,68. Virksomheden betaler et udbytte på 0,42 %.

For Q4 2024 rapporterede virksomheden en omsætning på $753 millioner, hvoraf $98 millioner kom fra robotteknik, mens resten kom fra halvledersegmentet. Dens GAAP nettoresultat for kvartalet var $146,3 millioner eller $0,90 pr. udvandet aktie.

Administrerende direktør Greg Smith tilskrev denne vækst til stærk AI-beregning og relateret hukommelse, mens Mobile og Auto/Industrial overgik forventningerne. En indtægtsacceleration forventes i år, da Teradyne planlægger at omstrukturere sin robotteknikforretning strategisk for at forbedre kundeoplevelsen og øge driftsmæssig effektivitet.

3. Zimmer Biomet

Zimmer Biomet (ZBH ) er en global medicinsk teknologivirksomhed, der beskæftiger sig med biologik, sportsmedicin, ekstremiteter, traumeprodukter, kirurgiske produkter og en række robotteknologier, der anvender data, dataanalyse og AI. 

Med en markedsværdi på $22 milliarder handles Zimmer Biomet-aktier i øjeblikket til $110,10, op 4,72 % år‑til‑dato. Dens EPS (TTM) er 5,25, mens dens P/E (TTM)-ratio er 21,07. Virksomheden betaler et udbytte på 0,87 %.

For Q3 2024 rapporterede virksomheden en nettoomsætning på $1,824 milliarder, hvilket var en stigning på 4 % i forhold til samme periode sidste år, mens nettoresultatet var $249,1 millioner. Udvandet indtjening pr. aktie for kvartalet var $1,23, mens justeret udvandet indtjening pr. aktie var $1,74. Efter denne “stærke præstation” sagde administrerende direktør Ivan Tornos, at de vil fortsætte med at fremme deres “mission om at hjælpe millioner af mennesker med at lindre smerte og forbedre deres livskvalitet.”

I denne periode erhvervede virksomheden OrthoGrid Systems, en medicinsk teknologivirksomhed med fokus på AI-drevne kirurgiske vejledningssystemer til total hofteudskiftning. Den er nu også på vej til at erhverve Paragon 28 , en medicinsk udstyrsvirksomhed, i en aftale på $1,1 milliarder for behandling af fod- og ankelsygdomme.

Konklusion

Efterhånden som efterspørgslen efter automatisering og effektivitet stiger, vokser også populariteten af robotteknik. På baggrund af denne stærke vækst ser underdisciplinen blød robotteknik en masse innovation, der åbner nye anvendelser inden for sundhedspleje, udforskning og industriel automatisering. 

Udviklingen af blød robotteknik—der kombinerer tilpasningsevne inspireret af levende organismer med legemlig energi—bærer potentialet til endelig at overvinde de mangeårige begrænsninger i holdbarhed og energieffektivitet. Efterhånden som forskere, støttet af statslige initiativer, fortsætter med at forfine robotdesign og multifunktionelle energikilder, bliver disse maskiner gradvist til virkelighed, hvilket forbedrer tilgængelighed, effektivitet og sikkerhed.

Klik her for at lære, hvordan blød robotteknik vil drage fordel af skumfluidik.