Η 3D Εκτύπωση Μπορεί να Καταστήσει τη Ρομποτική Πιο Ασφαλή μέσω της Βιομιμητικής

Μελέτη που δημοσιεύτηκε στο Advanced Intelligent Systems τον Ιούλιο του 2024 παρουσιάζει έναν εύκαμπτο ρομποτικό ενεργοποιητή, εμπνευσμένο από τη λειτουργία των μυών. Επιτρέπει την επιμήκυνση και τη συστολή μαλακών κατασκευών, ανοίγοντας δυνατότητες για νέους ρομποτικούς μηχανισμούς.

Μαλακή Ρομποτική

Η μαλακή ρομποτική χρησιμοποιεί εύκαμπτα, ενδοτικά υλικά που παραμορφώνονται και προσαρμόζονται στον χώρο. Ο όρος «μη ενδοτικά» περιγράφει το αντίθετο. Η ευκαμψία μπορεί να βοηθήσει στην κίνηση μέσα από στενά περάσματα, αλλά οι δυνατότητες εξαρτώνται από τον σχεδιασμό και την εφαρμογή.

Προβλήματα με Παραδοσιακούς Ενεργοποιητές

Οι συμβατικοί άκαμπτοι ενεργοποιητές μπορούν να δημιουργούν άκαμπτα σημεία σε μια μαλακή κατασκευή και να περιορίζουν την παραμόρφωσή της. Η επιλογή κατάλληλης ενεργοποίησης αποτελεί επομένως σημαντικό σχεδιαστικό ζήτημα.

Η προσθήκη περισσότερων ανεξάρτητα ελεγχόμενων κινήσεων συχνά απαιτεί επιπλέον μηχανισμούς, αυξάνοντας βάρος, κόστος και πολυπλοκότητα. Δεν χρειάζεται, ωστόσο, ξεχωριστός κινητήρας για κάθε δυνατή κίνηση σε όλους τους σχεδιασμούς.

Χρήση Βιομιμητικής για Δημιουργία Καλύτερου Ενεργοποιητή

Η μελέτη εξετάζει έναν μαλακό ενεργοποιητή που επιμηκύνεται και συστέλλεται μέσω περιστροφικής κίνησης. Η μυϊκή έμπνευση αφορά την προσαρμοστική μηχανική συμπεριφορά· δεν σημαίνει ότι ο μηχανισμός τεντώνεται και συστέλλεται ταυτόχρονα ή ότι η προηγούμενη έρευνα αγνοούσε τη δυσκαμψία.

Πηγή – Advanced Intelligent Systems

Ερευνητές

Η έρευνα πραγματοποιήθηκε στη Σχολή Μηχανικών McCormick του Northwestern University. Συμμετείχαν ο μεταδιδακτορικός ερευνητής Taekyoung Kim, ο υποψήφιος διδάκτορας Pranav Kaarthik και ο καθηγητής Ryan Truby. Το Donald Brewer αποτελεί μέρος του τίτλου της έδρας του Truby, όχι όνομα τέταρτου ερευνητή.

Νέο Στυλ Ενεργοποιητή

Η ομάδα εκτύπωσε τρισδιάστατα μια εύκαμπτη κατασκευή που παραμορφώνεται με τη στρέψη. Η αρχιτεκτονική της επιτρέπει τη μετατροπή της περιστροφής του κινητήρα σε αξονική επιμήκυνση και συστολή.

Καλύτερο Υλικό για τη Δουλειά

Για το εύκαμπτο σώμα χρησιμοποιήθηκε θερμοπλαστική πολυουρεθάνη (TPU), ένα ελαστικό υλικό που συναντάται και σε προστατευτικές θήκες. Η επιλογή επέτρεψε κατασκευή με συνηθισμένο τρισδιάστατο εκτυπωτή αντί για ακριβότερες μεθόδους με άκαμπτες ρητίνες.

Ένας κινητήρας

Ο ίδιος ο μαλακός ενεργοποιητής χρησιμοποιεί έναν κινητήρα για την αλλαγή σχήματος. Το πλήρες ερπυστικό πρωτότυπο περιλαμβάνει επιπλέον δύο κινητήρες στους μηχανισμούς αγκύρωσης· συνεπώς δεν είναι ρομπότ με έναν μόνο κινητήρα.

Μοναδικές Κινήσεις

Η περιστροφή του κινητήρα μεταβάλλει το μήκος και το σχήμα της κατασκευής. Η προσέγγιση μπορεί να απλοποιήσει ορισμένα ρομπότ και να μειώσει το κόστος τους.

Ερπυστικό ρομπότ

Το πρώτο πρωτότυπο ήταν ένα ερπυστικό ρομπότ μήκους περίπου 26 εκατοστών. Η εναλλασσόμενη επιμήκυνση και συστολή του επέτρεψε κίνηση παρόμοια με σκουληκιού, με ταχύτητα περίπου 32 εκατοστών ανά λεπτό στις συνθήκες δοκιμής.

Στο βίντεο της δοκιμής, το πρωτότυπο διασχίζει έναν στενό αγωγό με κλειστές καμπές. Πρόκειται για επίδειξη σε συγκεκριμένη πειραματική διαδρομή, όχι για εγγύηση πλοήγησης σε κάθε σύνθετο περιβάλλον.

Οι μετρήσεις του ενεργοποιητή έδειξαν επιμήκυνση περίπου 45 % και μέγιστη δύναμη ώθησης υπό παρεμποδισμένη κίνηση περίπου 8 N. Οι τιμές αφορούν τη συγκεκριμένη διάταξη και τις συνθήκες του πειράματος.

Τεχνητός Δικέφαλος

Η ομάδα παρουσίασε επίσης έναν μηχανισμό που μιμείται τη λειτουργία του δικεφάλου, με μία ελεγχόμενη κίνηση και ενσωματωμένο αισθητήρα παραμόρφωσης από υγρό μέταλλο. Ο αισθητήρας δυνάμεων και ροπών έξι αξόνων και ο γραμμικός οδηγός χρησιμοποιήθηκαν σε ξεχωριστές διατάξεις χαρακτηρισμού.

Ο ενεργοποιητής χρησιμοποιεί το ίδιο εύκαμπτο υλικό και εμφανίζει μη γραμμική, ιξωδοελαστική συμπεριφορά. Η υστέρηση στη σχέση δύναμης και μετατόπισης χαρακτηρίζει την απόκρισή του κατά τη φόρτιση και αποφόρτιση.

Στο πείραμα, ο τεχνητός δικέφαλος ανύψωσε βάρος 500 γραμμαρίων 5.000 φορές χωρίς αστοχία. Το αποτέλεσμα δείχνει επαναληψιμότητα υπό αυτές τις συνθήκες, όχι απεριόριστη διάρκεια ζωής.

Δοκιμή

Οι δοκιμές κατέγραψαν μηχανικές παραμέτρους, όπως ροπή, δύναμη ώθησης και έλξης και απόκριση σε παραμόρφωση. Τα δεδομένα βοηθούν στην αποτίμηση των ορίων και στη βελτίωση μελλοντικών σχεδιασμών.

Οφέλη

Η μελέτη προτείνει έναν απλούστερο τρόπο κατασκευής μαλακών ενεργοποιητών. Οι πιθανές εφαρμογές απαιτούν περαιτέρω αξιολόγηση πριν από την ευρεία εμπορική χρήση.

Καταστήστε τα Ρομπότ Πιο Ασφαλή

Η δυνατότητα ασφαλέστερης επαφής με ανθρώπους αποτελεί κίνητρο για τη μαλακή ρομποτική. Η παραμόρφωση των υλικών μπορεί να μειώσει ορισμένες δυνάμεις πρόσκρουσης, χωρίς να καθιστά κάθε μαλακό ρομπότ ασφαλές ανεξαρτήτως ταχύτητας, φορτίου ή χρήσης.

Μια εύκαμπτη επιφάνεια μπορεί να απορροφά μέρος της ενέργειας μιας σύγκρουσης καλύτερα από μια άκαμπτη μεταλλική κατασκευή. Παρ’ όλα αυτά, εξακολουθούν να απαιτούνται αξιολόγηση κινδύνου και μέτρα προστασίας.

Η ευκαμψία μπορεί να είναι χρήσιμη σε εφαρμογές κοντά σε ανθρώπους ή ζώα. Κάθε εφαρμογή, όμως, χρειάζεται δική της αξιολόγηση· η μελέτη δεν αποδεικνύει ότι το πρωτότυπο είναι έτοιμο για κτηνοτροφική ή οικιακή χρήση.

Χαμηλό Κόστος

Ένα πλεονέκτημα της προσέγγισης είναι η χρήση οικονομικών υλικών και απλούστερης κατασκευής. Το συνολικό κόστος ενός λειτουργικού ρομπότ περιλαμβάνει επίσης κινητήρες, ηλεκτρονικά, τροφοδοσία, συναρμολόγηση και λογισμικό.

Σύμφωνα με την ομάδα, τα υλικά των πρωτοτύπων κόστιζαν περίπου 3 δολάρια, χωρίς τον μικρό κινητήρα. Αυτό δεν αποτελεί τελική τιμή αγοράς ενός ολοκληρωμένου ρομπότ, αλλά δείχνει τη δυνατότητα μείωσης του κόστους του εύκαμπτου σώματος.

Χρήση Κανονικών 3D Εκτυπωτών.

Το σώμα μπορεί να κατασκευαστεί με κοινό τρισδιάστατο εκτυπωτή και κατάλληλο υλικό. Η αναπαραγωγή εξακολουθεί να απαιτεί σωστές ρυθμίσεις, συναρμολόγηση και έλεγχο του κινητήρα.

Ενσωμάτωση σε άλλες κατασκευές

Η ενσωμάτωση του ενεργοποιητή σε άλλους σχεδιασμούς θα μπορούσε να διευκολύνει νέα πειράματα. Η συμβατότητα δεν είναι αυτόματη και εξαρτάται από τις απαιτήσεις κάθε ρομπότ.

Εταιρείες του κλάδου

Στον ευρύτερο χώρο της μαλακής ρομποτικής και των υποστηρικτικών συστημάτων δραστηριοποιούνται εταιρείες όπως Parker Hannifin, SRT, Myomo, Bionik Laboratories και Panasonic. Δεν αποτελούν όλες άμεσους ανταγωνιστές του συγκεκριμένου ενεργοποιητή, ενώ οι αναφερόμενες μελέτες αγοράς χρησιμοποιούν διαφορετικούς ορισμούς.

1. Cyberdyne

Η Cyberdyne αναπτύσσει συστήματα που συνδυάζουν ρομποτική και τεχνολογίες πληροφορικής, με γνωστό παράδειγμα τον εξωσκελετό HAL. Ένας εξωσκελετός δεν είναι κατ’ ανάγκη μαλακό ρομπότ ούτε χρησιμοποιεί τον ενεργοποιητή της μελέτης.

Τα έσοδα της Cyberdyne αυξήθηκαν από περίπου 2,15 δισ. γιεν στη χρήση που έληξε τον Μάρτιο του 2022 σε 3,289 δισ. στη χρήση που έληξε τον Μάρτιο του 2023, δηλαδή κατά περίπου 53 %. Αυτά είναι ιστορικά ετήσια στοιχεία, όχι η τρέχουσα επίδοση.

2. Soft Robotics

Η Soft Robotics αναπτύσσει συστήματα αυτοματοποιημένου χειρισμού για παραγωγή και επεξεργασία τροφίμων. Συνδυάζει λαβές, τρισδιάστατη όραση και λογισμικό για αναγνώριση και μετακίνηση αντικειμένων.

Οι εύκαμπτες λαβές της μπορούν να προσαρμόζονται σε αντικείμενα με διαφορετικό σχήμα. Η απόδοση στη συλλογή, διαλογή και συσκευασία εξαρτάται από την εφαρμογή και δεν αποδεικνύει χρήση του νέου ενεργοποιητή.

3. Ekso Bionics Holdings

Η Ekso Bionics Holdings αναπτύσσει εξωσκελετούς για αποκατάσταση και βιομηχανικές εφαρμογές. Τα ιατρικά συστήματα χρησιμοποιούνται σε συγκεκριμένα θεραπευτικά περιβάλλοντα και δεν εγγυώνται αποκατάσταση κάθε κινητικής βλάβης.

Η εταιρεία διαθέτει συστήματα υποστήριξης άνω άκρων και εξωσκελετούς βάδισης. Οι βιομηχανικές και οι ιατρικές συσκευές έχουν διαφορετικούς σκοπούς· δεν εξαλείφουν την κόπωση ούτε αυξάνουν απεριόριστα τις δυνατότητες του χρήστη.

Εταιρείες που Θα Μπορούσαν να Ωφεληθούν από τον Βιομιμητικό Ενεργοποιητή

Εταιρείες του κλάδου θα μπορούσαν να εξετάσουν παρόμοιες τεχνικές σε μελλοντικά προϊόντα. Η αναφορά τους εδώ δεν σημαίνει ότι συνεργάζονται με τους ερευνητές ή ότι έχουν υιοθετήσει την τεχνολογία.

ReWalk Robotics

Η ReWalk Robotics αναπτύσσει συστήματα υποβοηθούμενης βάδισης για κατάλληλους χρήστες με κινητικές βλάβες. Η χρήση εξαρτάται από ιατρική αξιολόγηση, εκπαίδευση και τις ενδείξεις κάθε συσκευής.

Το σύστημα ReWalk χρησιμοποιεί μηχανοκίνητη υποστήριξη των κάτω άκρων, μπαταρία και χειριστήριο. Η έναρξη βημάτων μπορεί να συνδέεται με μετατόπιση του βάρους του χρήστη· δεν πρόκειται για αυτόματη επαναφορά φυσιολογικής βάδισης χωρίς προσπάθεια ή βοήθεια.

Μια επενδυτική αξιολόγηση «αγορά» απαιτεί συγκεκριμένη πηγή και ημερομηνία και δεν τεκμηριώνει την αποτελεσματικότητα μιας συσκευής. Η πιθανή μελλοντική χρήση τεχνητής νοημοσύνης ή νέων ενεργοποιητών παραμένει υπόθεση, όχι επιβεβαιωμένο σχέδιο μείωσης κόστους.

RightHand Robotics

Η RightHand Robotics αναπτύσσει αυτοματοποιημένες λύσεις συλλογής και διαλογής αντικειμένων για αποθήκες και διεκπεραίωση παραγγελιών. Η τεχνολογία της συνδυάζει χειρισμό αντικειμένων, όραση και λογισμικό.

Η εταιρεία έχει λάβει διακρίσεις στον χώρο της ρομποτικής, μεταξύ των οποίων αναφέρεται ο τίτλος Εταιρεία Ρομποτικής της Χρονιάς στα βραβεία NEVY της New England Venture Capital Association. Μια διάκριση δεν αποτελεί απόδειξη συνεργασίας με τη συγκεκριμένη ερευνητική ομάδα.

Προοπτικές της βιομιμητικής ρομποτικής

Οι οικονομικοί, εύκαμπτοι ενεργοποιητές θα μπορούσαν να διευρύνουν τις εφαρμογές της ρομποτικής. Η μελέτη αποτελεί χρήσιμο βήμα, αλλά η ασφάλεια, η αξιοπιστία και η εμπορική διαθεσιμότητα χρειάζονται περαιτέρω ανάπτυξη και δοκιμές.

Διαβάστε για περισσότερα έργα ρομποτικής τώρα