Pehmeän robotiikan parantaminen ‘upotetulla energialla’ avaa uusia mahdollisuuksia

Robotiikka on nopeasti kasvava markkina, ennustettu laajentuvansa $94.54 billioniin vuonna 2024 ja ylittävän $372.59 billionia vuoteen 2034 mennessä. 

Teollisuusrobotit johtavat tällä hetkellä tätä kasvua. Tänään, yli 3.4 million teollisuusrobottia työskentelee helpottamassa elämäämme. Teollisuusyritykset suunnittelevat myös investoivansa 25 % pääomastaan teollisuusautomaation kehittämiseen seuraavan viiden vuoden aikana.

Kun robotiikka jatkaa suosiotaan, myös sen alalaji kerää tutkijoiden huomion. Kun robottien kysyntä kasvaa sovelluksissa, jotka eivät liity teollisuusautomaation, pehmeä robotiikka saa yhä enemmän kiinnostusta.

Nämä robotit jäljittelevät pehmeiden ja joustavien luonnollisten kehojen, kuten käärmeiden, maamatojen, ankojen, mustekalojen ja muiden, liikkumismekanismeja.

Pehmeä robotiikka ammentaa inspiraatiota biologisista rakenteista näiden pehmeiden kehojen, jotta ne voivat liikkua sulavasti ja monimutkaisesti. Perinteisten robottien kovien metalliosien sijaan pehmeät robotit valmistetaan joustavista materiaaleista, kuten geelistä ja kumista. Tämä mahdollistaa niiden sopeutumisen monimutkaisiin ympäristöihin ja turvallisen vuorovaikutuksen ihmisten kanssa.

Toiminnan saamiseksi käytetään useita erilaisia menetelmiä, kuten lämpöstimuli, sähköiset signaalit ja ilmanpaineistus, muiden lisäksi. Näiden aktivointilähteiden lähde on yleensä robotin ulkopuolella ja ne ohjaavat sen liikkeitä.

Nämä robotit tarjoavat mukautuvuuden ja parannetun turvallisuuden edut. Joustavan ja kevyen materiaalin käyttö tekee näistä koneista erityisen sopivia suoraan ihmisen kanssa tapahtuvaan vuorovaikutukseen, koska se vähentää loukkaantumisriskiä. Tämä tekee niistä erittäin hyödyllisiä sovelluksissa, kuten terveydenhuollossa ja kannettavassa teknologiassa.

Joustavien nivelten ja pehmeiden tarttujien ansiosta robotit voivat taivuttaa, kiertää ja venyttää itseään helposti. Kyky toteuttaa biologisia liikkeitä tekee niistä käyttökelpoisia tehtävissä, jotka eivät ole turvallisia ihmisille tai vaativat tarkkaa hallintaa. Niiden rakenteellinen joustavuus ja tarkkuus tekevät niistä myös sopivia hauraiden esineiden käsittelyyn ja muihin hienovaraisiin tehtäviin.

Kuitenkin pehmeät robotit kohtaavat haasteita, kuten rajoitettu voima, alhainen tarkkuus, heikko kestävyys, valmistuksen ja skaalaamisen vaikeus sekä tarve kehittyneille algoritmeille ja laajoille anturijärjestelmille.

Kuitenkin, koska pehmeiden robottien kyvykkyys vastaa pehmeiden biologisten organismien ominaisuuksia, ne ovat lupaava ominaisuus monilla aloilla, kuten terveydenhuollossa, maataloudessa, pelastusoperaatioissa ja avaruustutkimuksessa.

Useita lupaavia pehmeitä robotteja on jo kehitetty. Esimerkiksi Harvardin lonkerirobotti, jonka meduusaa muistuttava pehmeä tarttija voi varovasti napata hauraat esineet jäljitellen kiharan hiuksen mekaniikkaa.

Terveydenhuollon alalla KAISTin K‑FLEX -järjestelmä pystyy suorittamaan arpi‑vapaata endoskooppista leikkausta, ja MIT:n bioninen sydän voi auttaa lääketieteen ammattilaisia tutkimaan sydän- ja verisuonisairauksia sekä määrittämään potilaille parhaan hoitopolun.

Pehmeitä robotteja hyödynnetään myös merien tutkimiseen. Muutama vuosi sitten kiinalaiset tutkijat esittelivät itsevirtaavan pehmeän robotin, joka pystyi saavuttamaan syvimmän pisteen – Marianan hauta. Avaruustutkimuksen osalta NASA:n rahoittamat kaivautuvat pehmeät robotit voivat liikkua hiekkamaassa ja ne saatetaan joskus lähettää tutkimaan Jupiterin kuita.

Kun pehmeiden robottien tutkimus etenee, niiden odotetaan korvaavan jäykkiä robotteja erilaisissa sovelluksissa. 

Pehmeiden robottilajien evoluutio

Cornell Engineeringin uusi tutkimus on esitellyt johdonmukaisen maalla ryömivän robotin, jossa on integroidut modulaariset virtalähteet koko pehmeän rungon läpi.

Ennen tämän matorobotin luomista laboratorio rakensi meduusarobotin yhteistyössä Cornell Engineeringin Archer Groupin kanssa. Molemmat ovat suoria jälkeläisiä vesipohjaisesta pehmeästä robotista, joka esiteltiin kuusi vuotta sitten. 

Vuonna 2019 Cornellin yliopiston tutkijat julkaisisivat paperin¹ nimeltä “Electrolytic vascular systems for energy-dense robots.” Järjestelmä, joka jäljitteli punasolujen virtausakkuja, yhdisti hydraulisen voimansiirron, toiminnan ja energian varastoinnin yhdeksi suunnitelmaksi, mikä lisäsi robotin energian tiheyttä mahdollistaen toiminnan jopa 36 tuntiin.

Tässä yhteydessä tutkijat ammensivat inspiraatiota leijonakalan (lionfish) evistä, jotka liikkuvat aaltoilevina, viuhamaisina evinä koralliriutan ympäristössä.

Silloin tutkijat totesi, että “tämän elektrokemiallisen energian varastoinnin käyttö hydraulisissa nesteissä voi mahdollistaa suuremman energian tiheyden, autonomian, tehokkuuden ja monitoiminnallisuuden tulevissa robottisuunnitelmissa.”

Muutama kuukausi sitten julkaistiin uusi artikkeli², “The multifunctional use of an aqueous battery for a high capacity jellyfish robot,”. Tässä kerrassa RFB muodostettiin meduusan muotoon, mikä mahdollistaa energian monitoiminnallisen käytön.

Meduusat koostuvat pääosin aineesta, jota kutsutaan “mesogleaksi”, ja se toimii sisäisenä luurankona. Tämä materiaali tekee meduusan kehosta joustavan ja auttaa palauttamaan muodon lihaskontraktion jälkeen. Mesoglea sisältää fibrilliiniä sisältäviä mikrokuituja, joita meduusa käyttää lihaksensa voimanlähteenä sekä liikkumiseen ja ravinnon saamiseen.

Robotti sai virtansa pelkästään RFB:stä, joilla oli lisääntynyt tilavuus- ja pinta‑energiatiheys, mikä johti pitkään käyttöikään UUV‑aluksissa, jotka koostuvat pääosin nestemäisestä, elektrokemiallisesti energiatehokkaasta materiaalista.

Nyt tutkimus³ on kehittynyt edelleen, aivan kuten maalla elävät organismit, akkujen kehityksen ja suunnittelun myötä.

Robotiikan professor Rob Shepherd, joka johti sekä edellisen että tämän uuden projektin, totesi:

“Tämä on tapa, jolla maa‑elämä kehittyi. Aloitat kalasta, sitten saat yksinkertaisen organismin, joka saa tukea maasta. Mato on yksinkertainen organismi, mutta sillä on enemmän vapausasteita.”

Sama “robottiveri”, eli hydraulinen neste, joka varasti energiaa ja virtasi aiempien robottien sovelluksissa, ylläpitää myös uutta robottilajia. Tämä kerta kuitenkin, tutkijat ovat parantaneet suunnittelua saavuttaakseen suuremman akku‑kapasiteetin ja tehotiheyden.

Shepherd huomautti, että meduusalla on paljon enemmän kapasiteettia painoonsa nähden. Tämä lisäsi robotin matojen matka‑aikaa, joka oli pidempi kuin todellisen kalan. Nyt heidän ensimmäinen maalla oleva versio on mato, joka saa nosteen veden alla ja ei tarvitse luurankoa, mikä tarkoittaa, että sen ei tarvitse olla jäykkä.

Klikkaa tästä oppiaksesi, ovatko keraamit avain laajentamaan tuntoa ja lämpöä pehmeässä robotiikassa.

Upotettu energia voimanlähteenä pehmeille roboteille

Kun robotiikan ketteryyden tarve kasvaa, myös niiden monimutkaisuus kasvaa. Tämä merkitsee anturitiheyden ja vapausasteiden (DoF) lisääntymistä, mikä on objektin itsenäinen liike.

Tämän seurauksena robottien energiankulutus todennäköisesti kasvaa, mikä tekee energian kapasiteetista tärkeän tekijän, joka on otettava huomioon.

Tässä kohtaa upotettu energia astuu kuvaan. Se on suunnittelustrategia, joka parantaa järjestelmän energian tiheyttä monitoiminnallisella upotettujen virtalähteiden käytöllä. Tämä lähestymistapa sisällyttää virtalähteet koneen runkoon, mikä vähentää sen kustannuksia ja painoa.

Organic Robotics Labin rakentama mallirobotti ja heidän meduusarobotinsa osoittavat tämän ‘upotetun energian’ hyödyt. 

Upottamalla akkujen varastoiman energian robotin rakenteen ja koneistuksen olennaiseksi osaksi, tutkijat ovat saavuttaneet parempia tuloksia. Tutkimus totesi:

“Upottamalla virtalähde moottorikäyttöisiin jänne‑toimintamoduuleihin saadaan aikaan keinotekoinen lihasyksikkö, joka voidaan yhdistää robotteihin, jotka kykenevät pitkäkestoiseen, hyödylliseen työhön.”

Molemmat robotit käyttävät punosulkuvirta‑akkua (RFB), joka on elektrokemiallinen järjestelmä, jossa energia varastoidaan kahden nesteessä liuenneen kemiallisen komponentin avulla. 

Meduusan muotoisessa robotissa RFB rakennettiin jänteellä. Kun jännetä vedetään, se muuttaa kellon muotoa ja työntää olennon ylöspäin, jolloin se uppoaa takaisin alas, kun kello rentoutuu. 

Entistä tärkeämpää on, että meduusan robotti sisältää kaksi punosulkuakkua: sinkki‑jodidi (ZnI2) ja sinkki‑bromidi (ZnBr2). Bromidia lisättiin jodidiin yhdessä akussa ionikuljetuksen parantamiseksi, mikä lisäsi akun kapasiteettia ja tehotiheyttä. Tämän seurauksena meduusan robotti oli nopeampi ja ketterämpi, ja sen käyttöaika oli noin 90 minuuttia.

Dendriittien kertymisen estämiseksi akkujen sähköisissä alustoissa, jotka estävät lataamista ja purkamista, tutkijat hyödynsivät grafeenia. Grafeenin käyttö mahdollisti paremman sovituksen kiteplaneettojen kanssa ja tasaisemman sinkin pinnoittumisen. 

Mato‑robotti sisältää osioituneen rakenteen. Madon runko koostuu sarjasta toisiinsa kytketyistä kapselista, joista jokainen sisältää moottorin ja jännetoiminnan, jotta mato voi puristaa ja laajentaa muotoaan. Jokainen kapseli sisältää myös anolyttipusseja, jotka on upotettu katolyttiin.

Suunnittelun keskeinen elementti oli kuivan kiinnityksen menetelmä, jonka avulla Nafion‑erottimet sidotaan automaattisesti madon silikon‑uretaanikopolymeerirunkoon. Erottimet pitävät anolyytit ja katolyytit erillään, mutta sallivat varauksen siirtymisen niiden välillä, mikä puolestaan ohjaa elektroneja moottorin läpi.

“Monia robotteja virtasi hydraulisesti, ja me olemme ensimmäisiä, jotka käyttävät hydraulista nestettä akkuina, mikä vähentää robotin kokonaispainoa, koska akku palvelee kahta tarkoitusta: energian tarjoamista järjestelmälle ja voiman antamista liikkumiseen. Näin voit saada esimerkiksi madon, jossa lähes kaikki energia on energiaa, joten se voi kulkea pitkiä matkoja.”

– Shepherd

Testattaessa madon robottia, tutkijat havaitsivat, että se voi liikkua maata pitkin sekä ylös‑alas pystyputkessa. Vaikka mato pystyy navigoimaan suljettuja, kaarevia reittejä ja kiipeämään ylös‑alas, se on melko hidas, vaikka silti nopeampi kuin muut hydraulisesti toimivat madon botit. Yhdellä latauksella mato kulkee 35 tuntia ja matkaa 105 metriä.

Tutkijoiden mukaan mato voi löytää sovelluksia ahtaiden ympäristöjen, kuten pitkien ja kapeiden käytävien, tutkimisessa ja mahdollisesti korjaustöissä. Meduusan käyttöalue löytyy merien tutkimuksesta. 

Yhdysvaltain merivoimien tutkimuslaitoksen (ONR) ja Yhdysvaltain energiaministeriön perusenergiatieteiden ohjelman tukemana tämä tutkimus on vasta alkua, sillä tulevaisuuden työ keskittyy täysin nestemäiseen RFB:hen. Tutkimus totesi, että polysulfiidi‑jodidi‑akku, jonka energiateho on korkea ja hinta alhainen, näyttää erityisesti lupaavalta pehmeiden robottien sovelluksissa.

Lopulta tiimi pyrkii rakentamaan suurikapasiteettisia, upotettuja energiarobotteja. Nämä tulevaisuuden robotit tulevat myös omaan luurankoon ja voivat jopa kävellä, mikä tekee niistä ihmisiä muistuttavia robotteja.

“Epätäydellinen organismi. Mutta silti melko hyvässä kunnossa.”

– Shepherd

Relevantit yritykset

Katsotaanpa nyt muutamia julkisesti noteerattuja yrityksiä, jotka edistävät robotiikan alaa. 

1. iRobot Corporation

Globaalina kuluttajarobottiyrityksenä iRobot suunnittelee, valmistaa ja myy kestäviä robotteja. Sen tuotteisiin kuuluvat Roomba, Braava ja Root. iRobot on myynyt kymmeniä miljoonia robotteja maailmanlaajuisesti.

231 miljoonan dollarin markkina-arvolla iRobot‑osakkeet kaupankäynnissä hintaan $7.59, laskien 2.45 % YTD. Sen EPS (TTM) on -4.60, kun taas P/E (TTM) –1.64.

Viimeisimpänä yritys raportoi alustavat taloudelliset tulokset vuoden 2024 neljännestä neljänneksestä, joiden mukaan odotetaan $171 miljoonan liikevaihtoa ja GAAP‑toimintatappio $59 miljoonaa. Lisäksi odotetaan, että vuoden 2024 lopussa käteinen ja käteismukaiset varat ovat noin $134 miljoonaa.

Tulokset, toimitusjohtaja Gary Cohen sanoi, “heijastavat odotettua korkeampaa sesonkimainontaa myynnin edistämiseksi ennen vuoden 2025 uusia tuotelanseerauksia.” Hän lisäsi, että iRobot on “perusteellisesti muuttanut tapaa, jolla innovaatiot, kehitys ja robottejamme rakennetaan, ” ja että sen suunnitellut tuotelanseeraukset “joilla on tarkoitus innostaa kuluttajia ominaisuuksiltaan rikkailla roboteilla ja parantaa kuluttajatuotekokemusta” ovat aikataulussa julkaistaviksi tänä vuonna.

2. Teradyne

Globaalina automaattisen testauslaitteiston ja robotiikkaratkaisujen toimittajana Teradyne toimii neljän segmentin kautta, jotka keskittyvät puolijohteisiin, langattomiin tuotteisiin, varastointiin, avaruusteollisuuteen ja piirilevyihin, sekä robotiikkaan, joka kattaa robottikäsivarret, autonomiset mobiilirobotit ja kehittyneen robottiohjausohjelmiston.

Yritys on asentanut yli 80 000 kehittynyttä robottijärjestelmää maailmanlaajuisesti ja on investoinut yli $700 miljoonaa kehittyneeseen robotiikkaan ja automaatioon. Teradynen MiR‑robotit tehostavat sisäistä kuljetusta ja materiaalinkäsittelyä, kun taas sen cobot‑ratkaisut tukevat laajaa sovellusvalikoimaa. Sen automaatioratkaisut mahdollistavat yrityksille operatiivisen tehokkuuden parantamisen koneiden voimalla.

18.74 miljardia dollarin markkina-arvolla Teradyne‑osakkeet kaupankäynnissä hintaan $116, laskien 8.61 % YTD. Sen EPS (TTM) on 3.32, kun taas P/E (TTM) on 34.68. Yritys maksaa 0.42 % osinkotuoton.

Vuoden 2024 neljännen neljänneksen osalta yritys raportoi $753 miljoonan liikevaihdon, josta $98 miljoonaa tuli robotiikasta ja loput puolijohdesegmentistä. Sen GAAP‑nettotulos neljännekselle oli $146.3 miljoonaa tai $0.90 per laimennettu osake.

Toimitusjohtaja Greg Smith liitti tämän kasvun vahvaan AI‑laskentaan ja siihen liittyviin muistiin, kun mobiili- ja auto‑/teollisuussektorit ylittivät odotukset. Liikevaihdon kiihtymistä odotetaan tänä vuonna, ja Teradyne aikoo strategisesti uudelleenjärjestellä robotiikkaliiketoimintansa parantaakseen asiakaskokemusta ja lisätäkseen operatiivista tehokkuutta.

3. Zimmer Biomet

Globaalina lääketieteellisen teknologian yrityksenä Zimmer Biomet (ZBH ) on mukana biologioissa, urheilulääketieteessä, ääreläosissa, trauma‑tuotteissa, kirurgisissa tuotteissa sekä robotiikkateknologioissa, jotka hyödyntävät dataa, data‑analytiikkaa ja tekoälyä. 

22 miljardia dollarin markkina-arvolla Zimmer Biomet‑osakkeet kaupankäynnissä hintaan $110.10, noussut 4.72 % YTD. Sen EPS (TTM) on 5.25, kun taas P/E (TTM) on 21.07. Yritys maksaa 0.87 % osinkotuoton.

Vuoden 2024 kolmannessa neljänneksessä yritys raportoi $1.824 miljardia netto­myyntiä, mikä oli 4 % kasvu edellisvuoteen verrattuna, ja sen nettotulos oli $249.1 miljoonaa. Laimennettu osake‑tulos neljännekselle oli $1.23, kun taas korjattu laimennettu osake‑tulos oli $1.74. “Vahvan suorituskyvyn” jälkeen toimitusjohtaja Ivan Tornos sanoi, että he jatkavat “missiota, jonka tavoitteena on auttaa miljoonia ihmisiä lievittämään kipua ja parantamaan elämänlaatua.” 

Tänä aikana yritys hankki OrthoGrid Systems -laitoksen, lääketieteellisen teknologian yrityksen, joka keskittyy tekoälypohjaisiin kirurgisiin ohjausjärjestelmiin kokonaislonkkaliitosten yhteydessä. Se on nyt myös aikomassa hankkia Paragon 28 –laitoksen, lääketieteellisiä laitteita valmistavan yrityksen, $1.1 miljardia arvoisessa sopimuksessa jalkojen ja nilkkojen sairauksien hoitoon.

Johtopäätös

Kun automaation ja tehokkuuden kysyntä kasvaa, myös robotiikan suosio nousee. Tämän vahvan kasvun taustalla pehmeän robotiikan alalaji kokee paljon innovaatiota, avaten uusia sovelluksia terveydenhuollossa, tutkimuksessa ja teollisuusautomaation alalla. 

Pehmeän robotiikan evoluutio – yhdistäen elollisista organismeista ammutun mukautuvuuden upotettuun energiaan – kantaa potentiaalia lopulta voittaa pitkään jatkuneet kestävyyden ja energiatehokkuuden rajoitteet. Kun tutkijat, hallituksen aloitteiden tukemina, jatkavat robottisuunnittelun ja monitoimisten virtalähteiden hiomista, nämä koneet lähestyvät todellisuutta, parantaen saavutettavuutta, tehokkuutta ja turvallisuutta.

Klikkaa tästä oppiaksesi, miten pehmeä robotiikka hyötyy vaahtofluidiikasta.