3D-tulostus voi tehdä robotiikasta turvallisempaa biomimetiikan avulla

Tässä kuussa Advanced Intelligent Systems -lehdessä julkaistu tutkimus esittelee uuden robottitoimilaitteen, joka jäljittelee lihasten toimintaa biomimetiikan avulla. Pehmeät toimilaitteet mahdollistavat joustavat laitteet, jotka voivat esimerkiksi taipua tai muuttaa muotoaan. Tässä tärkeimmät asiat.

Pehmeä robotiikka

Pehmeät eli ”jäykät” robotit ovat kasvava tutkimusala, jolla on valtavasti mahdollisuuksia. Laitteet voivat muuttaa muotoaan ja taittua ahtaisiin rakoihin, kulmien ympäri ja tilanteisiin, joissa jäykkä laite ei toimisi. Pehmeän robotiikan markkinat kasvavatkin, ja analyytikot ennustavat 55,4 prosentin vuotuista kasvua vuoteen 2029 saakka.

Perinteisten toimilaitteiden ongelmat

Nykyinen toimilaitevalikoima rajoittaa pehmeän robotiikan kasvua. Jokainen toimilaite mahdollistaa uuden liikesuunnan, mutta samalla ne muodostavat rakenteeseen kovia kohtia, jotka estävät täysin vapaan liikkumisen.

Jokainen liikealue tarvitsee lisäksi oman toimilaitteensa. Tämä lisää laitteiden painoa ja hintaa. Painavammat robotit käyttävät enemmän energiaa, mikä heikentää niiden hyödyllisyyttä, tehokkuutta ja tuottavuutta.

Parempi toimilaite biomimetiikan avulla

Tutkimus käsittelee uutta pehmeää toimilaitetta, joka muistuttaa enemmän ihmisen lihaksia venyessään ja supistuessaan samanaikaisesti. Yhdistelmä lisää voimaa ja auttaa kehoa siirtämään sitä tehokkaammin. Tähän asti robotiikkainsinöörit ovat keskittyneet lähinnä laajeneviin ja supistuviin toimilaitteisiin kiinnittämättä paljon huomiota niiden jäykkyyteen liikkeen aikana.

Lähde – Advanced Intelligent Systems

Tutkijat

Northwesternin ja McCormick School of Engineeringin tutkijat selvittivät yhdessä uuden biomimeettisen toimilaitteen mahdollisuuksia. Tutkimusta johti Taekyoung Kim. Häntä auttoivat Pranav Karthik, Ryan Truby ja McCormick School of Engineeringin materiaalitieteen, tekniikan ja konetekniikan nuorempi professori Donald Brewer. Tiimi loi uuden valmistusprosessin ja toimivat prototyypit sekä tutki toimilaitetta perusteellisesti.

Uudenlainen toimilaite

Tiimi aloitti 3D-tulostamalla laitteen rungon. Rakenteen piti taipua ja kiertyä mutta tarvittaessa myös kestää painetta. Ratkaisussa on palkeet, jotka vääntömomentin kasvaessa muuttavat muotoaan vääntönurjahduksen kautta. Näin syntyy kierteinen muoto, joka siirtää vääntökuormaa tehokkaasti.

Tehtävään paremmin sopiva materiaali

Tutkijat huomasivat varhain, etteivät tavalliset 3D-tulostettavien toimilaitteiden materiaalit olisi riittävän joustavia. Harkinnan jälkeen he valitsivat termoplastisen polyuretaanin. Tätä kumimaista materiaalia käytetään monissa arkiesineissä, kuten puhelimen suojakuoressa. Se venyy ja kestää tarvittaessa vääntömomenttia.

Yksi moottori

Yksi suurimmista muutoksista perinteisiin toimilaitteisiin oli useiden moottorien tarpeen poistaminen. Laite pystyi muodostamaan monia muotoja ja liikkumaan eri suuntiin yksinkertaisesti kiertämällä yhtä moottoria, mikä sai laitteen pitenemään ja lyhenemään.

Ainutlaatuiset liikkeet

Yhden moottorin rakenne antaa roboteille mahdollisimman suuren joustavuuden. Ne voivat laajentua ja kiertyä ympäristön ja tehtävän mukaan. Ratkaisu myös pienentää kustannuksia ja voi yksinkertaistaa tulevien laitteiden suunnittelua.

Ryömivä robotti

Tiimin ensimmäinen laite oli 26 senttimetriä pitkä ryömivä robotti. Se pidentyy ja taipuu servon tuottaman vääntömomentin mukaan. Vetävä liike saa sen liikkumaan madon tavoin monimutkaisessa ympäristössä 32 senttimetrin minuuttinopeudella.

Tiimi esitteli robotin kokeen julkisella videolla. Laite kulkee monimutkaisen putken läpi ja tekee ahtaita käännöksiä päästäkseen ulos. Se selviytyi tiukoista mutkista helposti.

Kokeen tulokset olivat myönteisiä. Robotti pystyy pidentymään 45 prosenttia, jolloin siitä tulee tarvittaessa pitkä ja ohut. Tiimin mukaan estettynä mitattu suurin työntövoima on noin 8 N.

Keinotekoinen hauis

Seuraava prototyyppi oli robottihauis. Siinä yhdistyivät kuusiakselinen voima-anturi, lineaarijohde ja yksi servo, jotka tuottivat ihmisen hauista muistuttavan vääntömomentin ja liikkeen.

Laite on samaa kumimaista materiaalia kuin pehmeä akseli. Rakenne tuottaa epälineaarisia viskoelastisia vasteita. Niistä syntyy voiman ja siirtymän välinen hystereesivaste, jonka avulla laite voi koukistaa esineitä ihmiskäsivarren tavoin.

Insinöörit testasivat robottihauiksen kykyjä. Se nosti onnistuneesti 500 gramman painon 5 000 kertaa rikkoutumatta. Tulokset osoittavat uuden liikeratkaisun toistettavuuden ja tehokkuuden.

Testaus

Testaus antoi arvokasta palautetta tulevien rakenteiden parantamiseen. Insinöörit halusivat mitata muun muassa vääntömomenttia, työntö- ja vetopainetta, vetolujuutta sekä muita kuormituskokeiden tietoja uuden ratkaisun enimmäiskykyjen määrittämiseksi.

Hyödyt

Tutkimuksella voi olla merkittäviä markkinavaikutuksia. Pehmeä robotiikka kasvaa edelleen, ja laitteiden siirtyessä tuotantoon hyödyt käyvät selvemmiksi. Tässä muutamia tapoja, joilla tutkimus voi edistää markkinaa.

Turvallisemmat robotit

Yksi pehmeiden robottien kehittämisen pääsyistä on niiden turvallisuus työympäristössä. Kun valmistajat lisäävät robotiikkaa, ihmisten ja robottien rinnakkainen työ yleistyy. Pehmeät robotit ovat monista syistä parempia työtovereita useimmissa tilanteissa.

Niihin törmääminen aiheuttaa harvemmin vammoja. Metalliputkeen osuminen sattuu jo itsessään; kipu voi pahentua, jos metallilaite liikkuu ja osuu ihmiseen. Pehmeät robotit voivat poistaa lievien kolhujen ja törmäysten aiheuttamia pieniä vammoja.

Pehmeät robotit voivat toimia ympäristöissä, joissa perinteisiä robotteja pidettäisiin liian vaarallisina. Tulevaisuudessa ne voisivat esimerkiksi auttaa karjankasvatuksessa. Ne sopivat jo nyt ihmiskeskeisiin ympäristöihin paremmin kuin perinteiset kovat robotit.

Alhaiset kustannukset

Säästöt ovat tutkimuksen suurimpia hyötyjä. Robottiservojen ja kovien robottien valmistaminen on kallista, mikä on vuosikymmeniä rajannut ne lähinnä suurille huippuvalmistajille. Viimeaikaiset läpimurrot ovat tasoittaneet pienempien toimijoiden mahdollisuuksia.
Tämä kehitys laskee kustannuksia edelleen. Tutkijoiden dokumentaation mukaan prototyyppien materiaalit maksoivat vain kolme dollaria servoa lukuun ottamatta. Edullisuus mahdollistaa laajemman käyttöönoton, sillä robotit voisivat tehdä monia tehtäviä, joissa kustannukset ovat toistaiseksi estäneet niiden käytön. Pian edullinen pehmeä robotiikka voi auttaa arjessasi.

Tavallisten 3D-tulostimien käyttö

Toinen läpimurto oli tavallisella 3D-tulostimella valmistettava biomimeettinen toimilaite. Näin kuka tahansa voi hyödyntää tutkimuksen tuloksia ja luoda uusia, innovatiivisia pehmeitä robotteja.

Helppo yhdistettävyys

Tutkijat ovat ylpeitä siitä, että uusi toimilaite voidaan yhdistää saumattomasti nykyisiin robottirakenteisiin. Tämä auttaa käyttöönottoa ja tehostaa innovointia. Kun useammat insinöörit hyödyntävät ratkaisua, kehittäjät saavat tutkimuksestaan nopeasti palautetta.

Nykyiset markkinajohtajat

Pehmeän robotiikan johtavat toimijat kilpailevat kovasti. Tuoreen tutkimuksen mukaan vain viisi suurinta valmistajaa hallitsee 40 prosenttia markkinasta. Saman tutkimuksen mukaan Pohjois-Amerikka johtaa käyttöönottoa. Suurimpiin valmistajiin kuuluvat Parker Hannifin, SRT, Myomo, Bionik Laboratories ja Panasonic.

1. Cyberdyne

Cyberdyne on kybernetiikkayritys, joka yhdistää tekoälyn, robotiikan ja tietojärjestelmät uudeksi tehokkuuden ja suorituskyvyn tasoksi. Se on alan edelläkävijä ja yksi merkittävimmistä pehmeiden robottilaitteiden tutkijoista ja valmistajista.

Cyberdyne on kasvanut vaikuttavasti. Sen liikevaihto nousi vuodessa 52 prosenttia 2,15 miljardista jenistä 3,29 miljardiin jeniin. Suuri osa kasvusta selittyy menestyksellä lääkinnällisissä laitteissa.

2. Soft Robotics

Soft Robotics on toinen merkittävä toimija. Se on erikoistunut automatisoituun valmistukseen ja maataloustehtäviin. Laitteet yhdistävät edistyneen visuaalisen tarkastuksen ja tekoälyalgoritmit, jotta ne voivat poimia, lajitella ja tunnistaa esineitä tarkasti.

Yhtiön pehmeä tarttuja käyttää 3D-näköä ja tekoälyä tehtäviin, joihin aiemmin vain ihminen pystyi. Laitteet tarjoavat tuottajille nopean poiminnan, lajittelun ja pakkaamisen. Soft Robotics osoittaa hyvin, miten pehmeät robotit voivat parantaa tuottavuutta.

3. Ekso Bionics Holdings

Ekso Bionics Holdings on ulkoisten tukirankojen teknologian maailmanjohtaja. Sen ratkaisut palvelevat sekä terveydenhuoltoa että valmistusteollisuutta. Valikoimassa on erilaisia tukirankoja erityisesti kuntoutukseen, terapiaan ja liikuntarajoitteisten toipumisen tueksi.

Ekso tarjoaa ylävartalon ja alavartalon tukirankoja. Niiden avulla käyttäjä voi kulkea pidemmälle, nostaa enemmän ja kestää suurempaa rasitusta uupumatta. Asema ja edelläkävijätuotteet ovat tuoneet yritykselle huomattavaa liikevaihdon kasvua vuodesta 2022.

Biomimeettisestä toimilaitteesta mahdollisesti hyötyvät yritykset

ReWalk Robotics

ReWalk toimittaa bionisia kävelyjärjestelmiä. Sen innovatiivinen lähestymistapa ja keskittyminen ovat auttaneet tuhansia ihmisiä saamaan liikuntakykynsä takaisin. ReWalk Robotics pyrkii auttamaan alaraajahalvaantuneita hallitsemaan elämäänsä ainutlaatuisten tuotteidensa avulla.

ReWalkin bionisessa kävelyavustimessa on servokäyttöiset jalkahihnat, reppuakku ja ranteeseen kiinnitettävä kaukosäädin. Laite voi liikkua käskystä tai tunnistaa liikkeen automaattisesti. Jälkimmäisessä tilassa se tehostaa käyttäjän liikkeitä vähäisellä vaivalla.

ReWalk Roboticsin analyytikkojen yhteinen suositus on osta sen markkina-aseman vuoksi. Yritys kehittää jatkuvasti uusia rakenteita ja tuotteita. Tekoälyn ja biomimeettisten toimilaitteiden kaltaiset lisäteknologiat voivat pienentää laitteiden kustannuksia huomattavasti.

RightHand Robotics

RightHand Robotics on toinen pehmeiden robottien valmistaja. Bostonissa sijaitseva yhtiö tarjoaa tehokkaita poimintaratkaisuja ja pyrkii tehostamaan vähittäiskauppiaiden verkkokauppaa robottipohjaisella lajittelulla.

Yritys on saanut useita tunnustuksia. Se nimettiin vuoden robotiikkayritykseksi New England Venture Capital Associationin NEVY-palkintotilaisuudessa alalla tekemästään työstä.

Biomimetiikka helpottaa kaikkien elämää

Robotit hoitavat tulevaisuudessa yhä useampia tehtäviä. Pehmeät robotit edistävät käyttöönottoa, koska ne sopivat perinteisiä laitteita paremmin ihmisten rinnalle. Tämä tutkimus voi muuttaa robotit harvinaisuuksista hyvin edullisiksi tuotteiksi, joita kuka tahansa voi ostaa. Kehitystä kannattaa siksi seurata.

Tutustu muihin kiinnostaviin hankkeisiin nyt