Manipulation af hydrogel kan øge smidighed og alsidighed i moderne robotteknologi

En ny undersøgelse offentliggjort i det videnskabelige tidsskrift Physical Review Letters afslører et “mikroskopisk fænomen”, der gør det muligt for hydrogel at trække sig sammen hurtigere. Opdagelsen, kaldet Continuum Poroelastic Theory, kan have store konsekvenser for mange industrier, herunder blød robotteknologi. Den kan indeholde nøglen til at gøre disse enheder lettere og mere smidige. Her er, hvad du behøver at vide.

Hydrogel

Hydrogel er et fleksibelt, vandindeslættende materiale sammensat af tætte polymerkæder. Disse kæder kan absorbere væsker og holde dem effektivt. I denne tilstand består hydrogel primært af vand. Hydrogel kan derefter frigive de lagrede væsker og trække sig sammen under en stimulus. Denne stimulus kan være kemisk, såsom ændringer i pH, eller atmosfærisk, såsom temperatur- eller feltniveauændringer.

Hydrogel har bløde, fleksible egenskaber og kan findes i din hårgel, tandpasta, kosmetik og andre vandholdige løsninger. Det bruges også almindeligt i sundhedssektoren til sårforbinding, forbrændingspleje og mere. For robotter kan det fungere som en pålidelig erstatning for tungere alternativer som plast.

Hydrogel opgraderer til ikke‑kompatible robotter

Ikke‑kompatible, eller bløde robotter, er lavet af forskellige bøjelige materialer, hvilket gør dem i stand til at udføre unikke opgaver. Disse specialbyggede enheder kan passe ind i trange rum, navigere i komplekse ruiner og endda hjælpe med lægemiddellevering. Ifølge forskerne kan hydrogel i fremtiden erstatte gummi og hydrauliske komponenter i bløde robotter.
Bløde robotter har en stor fordel i forhold til deres stive modparter, når man diskuterer visse anvendelser. For det første kan de tilpasse sig og fordele deres tryk over et større område, hvilket giver dem en blødere berøring. Når disse fordele kombineres med evnen til at tilpasse sig næsten ethvert miljø, bliver bløde robotter den primære løsning til specifikke opgaver.

Nuværende systemer

Hydraulik- og pneumatiske systemer dominerer i øjeblikket robotindustrien. De er pålidelige og har eksisteret i årtier i mange former. Der er dog betydelige ulemper ved disse systemer, især når man taler om miniaturiseret og ikke‑kompatibel robotteknologi.

For eksempel skal ikke‑kompatible robotter, der er afhængige af disse systemer for at ændre form, integrere slanger, ledninger og pumper. Disse komponenter kan være næsten umulige at fremstille på mikroskopisk niveau. Selv når de skaleres op, tilføjer hver pumpe og slange vægt til disse små enheder. Vægt reducerer en robots batterilevetid, bevægelsesmuligheder og mere. Følgelig kan forskernes hydrogel‑opdagelse hjælpe robotter med at operere med større alsidighed, samtidig med at vægten optimeres og nye anvendelsesscenarier muliggøres.

De mener, at deres gennembrud kan katapultere ikke‑kompatibel robotteknologi ind i fremtiden ved at muliggøre større effektivitet og smidighed, samtidig med at vægten reduceres. Hydrogel kan erstatte gummi af flere grunde. De vigtigste fordele er, at de er lettere og eliminerer behovet for hydrauliske eller pneumatiske systemer. Som sådan gør de bløde robotter mindre komplekse at bygge.

Mikroskopisk fænomen

Forskerne beskriver opdagelsen af et mikroskopisk fænomen, som blev identificeret under undersøgelse af udvidelse og sammentrækning af hydrogel under forskellige forhold. “Continuum Poroelastic Theory” introducerer en hydrogel‑centreret løsning, der opfylder alle krav til mikrorobotik. Den er let, pålidelig, kontrollerbar og lettere at fremstille end de nuværende muligheder.

Detaljer om hydrogel‑forskning

Forskerne begyndte med at skabe et tyndt lag af hydrogel‑film. Dette porøse lag tillod vand og ioner at passere frit under visse betingelser. Den første abnormitet, der blev observeret, var, at en proces kendt som gel‑diffusiophoresis forårsager en pludselig stigning i gelens osmotiske tryk. Diffusiophoresis‑processen fik hydrogel til at svulme øjeblikkeligt, når ioner blev introduceret.
Bemærkelsesværdigt krymper hydrogel til sin oprindelige størrelse efter at have frigivet væsken. De ion‑infunderede hydrogel udvides og trækker sig sammen hundredvis af gange hurtigere end de oprindelige metoder. Derudover afslørede dataene, at den diffusion‑fotosfære‑svulme‑metode var langt mere effektiv.

Øget smidighed

Forskerne er begejstrede, fordi opdagelsen kan hjælpe med at gøre bløde robotter mere smidige. For eksempel har man haft som mål at skabe en robotisk hånd med den fingerfærdighed og smidighed, som menneskelige hænder har. Teamet mener, at denne opdagelse kan være et vigtigt skridt i at gøre det muligt. Hvis den lykkes, vil bløde robotter overtage mange flere menneskelige kontakt‑relaterede opgaver i de kommende år.

Større robotter

En anden vigtig opdagelse er, at hydrogel kan bruges til at skabe større bløde robotter. I øjeblikket er de fleste bløde robotter begrænset til mikroskopiske størrelser. Den ekstra kraft og reducerede vægt fra hydrogel gør det muligt for disse enheder at skaleres op til så store som en centimeter. Bemærkelsesværdigt er det almindeligt, at små robotter arbejder i sværme for at forbedre effektiviteten.

Virkelige anvendelser for hydrogel‑bløde robotter

Der er mange virkelige anvendelser for bløde robotter. I dag kan disse enheder findes til at plukke frugt, sortere lagre, og i fremtiden udføre sundhedsopgaver. Her er de vigtigste sektorer, som blød robotteknologi fortsat påvirker.

Fremstilling

Den mest fremtrædende industri for integration af bløde robotter er fremstilling. Her kan du finde hånd‑lignende enheder, der bruges på transportbånd. Disse enheder kan samle skrøbelige genstande op og placere dem i emballage eller sortere dem i specifikke kategorier. I fremtiden vil disse robotter kunne “føle”, hvad de samler op ved hjælp af avancerede sensorer og AI.

Søgning og redning

Bløde robotter kan spille en vigtig rolle i at finde overlevende efter naturkatastrofer. Det er almindeligt at høre, at affald hæmmede redningsindsatsen og førte til yderligere tab af liv efter store katastrofer. Ikke‑kompatible robotter kan sno sig gennem katastrofeområder og bruge avancerede sensorer til hurtigere at lokalisere overlevende. Disse robotter kan hjælpe overlevende med at kommunikere og endda levere livreddende forsyninger, når det er nødvendigt.

Udforskning

Ikke‑kompatible robotter kan også gøre udforskning mere effektiv. Robotter er fremtiden for dyb rum‑ og havudforskning. De kan gå dybere, rejse længere og levere mere værdifulde data end menneskelige passagerer. Bløde robotter, især, kan få adgang til hidtil usete steder som havdybder, fordi de kan tilpasse sig trykket og dermed muliggøre yderligere forskningsindsats inden for nye videnskabelige felter.

Sundhedssektoren

Der er mange sundhedsrelaterede anvendelser for bløde robotter. Disse enheder kan hjælpe med at levere medicin, bekæmpe sygdomme, rense vand og meget mere. Feltet bio‑robotik fortsætter med at skabe innovative hybride maskiner, der bruger levende væv som en del af deres kernekomponenter. Disse enheder kan en dag forbedre millioner af menneskers liv ved at lave proteser, der er usynlige for brugeren, samt mange andre livsforbedrende opgraderinger.

Førende robotvirksomheder

Robotindustrien er et hurtigt bevægende marked, der tidligere blev domineret af kun få nøglespillere, såsom Boston Dynamics. I dag er udvalget langt større, da markedet nu omfatter en række forskellige områder. Her er nogle robotvirksomheder, der kunne udnytte hydrogel til at forbedre deres produkter.

1. Intuitive Surgical

ISRG Prisdiagram

Intuitive Surgical (ISRG ) er en pioner på robotmarkedet inden for sundhedssektoren. Denne unikke virksomhed har en række produkter og tjenester, der får den til at skille sig ud, herunder kirurgiske assistenter, Da Vinci og Ion. Disse high‑tech‑løsninger hjælper med at drive minimalt invasive operationer. Bemærkelsesværdigt gør den seneste Da Vinci‑opgradering det muligt for kirurger at føle incisioner via feedback og mere.
Intuitive Surgical er en stærk tilføjelse til enhver portefølje. Den amerikanske virksomhed er en del af NASDAQ‑100 og S&P 500. Deres tjenester er også i høj efterspørgsel. Specifikt angiver virksomheden, at der er mere end 8.600 Da Vinci‑systemer implementeret internationalt. Som følge heraf har Intuitive Surgical opnået et ry som global teknologisk leder inden for robotfeltet.

2. UiPath

PATH Prisdiagram

UiPath (PATH ) er en softwarevirksomhed inden for robotprocesautomatisering (RPA). Virksomheden udvikler programmer, der gør det muligt for robotter at lære gentagne opgaver og derefter overtage dem fra menneskelige modparter. Den blev grundlagt i Rumænien og flyttede til New York, da den voksede til en betydelig markedskonkurrent. I dag er den verdens førende leverandør af RPA‑software.
UiPath blev markedsleder på grund af sin konsistens og ydeevne. Virksomheden har gentagne gange bevist, at dens tjenester kan hjælpe med at strømline virksomheders aktiviteter for flere højt profilerede kunder, herunder Canon, EY, VITAL og TQL. Derudover har virksomheden flere funktioner i Forbes. Alle disse faktorer gør UiPath til en aktie, der er værd at holde øje med.

Problemer med bløde robotter

Bløde robotter har nogle udfordringer, der skal overvindes for at opnå bred anvendelse. For det første har de ikke den robuste holdbarhed eller ydeevne som deres solide modparter. Der er også bekymringer vedrørende styring af robotter med uendelige bevægelsesgrader. Modellering af disse enheders bevægelser kræver stor innovation og tid. Virksomheder som UiPath vil uden tvivl spille en stadig vigtigere rolle i udviklingen af kontrolsystemer for bløde robotter i fremtiden.

Forskere

Undersøgelsen blev udført af et forskerteam ledet af Virginia Tech-fysikeren C. Nadir Kaplan og doktorand Chinmay Katke. Bemærkelsesværdigt blev parret assisteret af professor C. Nadir Kaplan og Peter A. Korevaar fra Radboud University i Holland.

Hydrogel kan gøre bløde robotter mere nyttige

Teamet bag hydrogel‑opdagelsen har muligvis netop låst op for nøglen til at gøre bløde robotter mere nyttige. Hydrogel kan erstatte gummi, hydraulik, aktuatorer og andre tungere, mere komplekse alternativer. Af disse grunde kan denne forskning betragtes som et stort gennembrud, der er værd at følge i fremtiden.

Lær om andre spændende robotprojekter nu.