Hydrogeelin Manipulointi Saattaa Parantaa Modernin Robotiikan Ketteryyttä ja Monipuolisuutta

Physical Review Letters -tiedelehdessä julkaistu uusi tutkimus paljastaa mikroskooppisen ilmiön, jonka avulla hydrogeeli voi supistua nopeammin. Jatkuvan aineen huokoelastisuusteoriaksi kutsutulla löydöllä voi olla merkittäviä vaikutuksia moniin aloihin, myös pehmeään robotiikkaan. Se voi auttaa tekemään laitteista kevyempiä ja ketterämpiä. Tässä ovat keskeiset asiat.

Hydrogeeli

Hydrogeeli on joustava, veteen liukenematon materiaali, joka koostuu tiiviistä polymeeriketjuista. Ketjut voivat imeä nestettä ja säilyttää sen tehokkaasti. Tässä tilassa hydrogeeli koostuu pääosin vedestä. Ärsykkeen vaikutuksesta se voi vapauttaa varastoidun nesteen ja supistua. Ärsyke voi olla kemiallinen, kuten pH:n muutos, tai ympäristöön liittyvä, kuten lämpötilan tai kentän muutos.

Hydrogeeli on pehmeää ja joustavaa, ja sitä käytetään esimerkiksi hiusgeelissä, hammastahnassa, kosmetiikassa ja muissa runsaasti vettä sisältävissä tuotteissa. Terveydenhuollossa sitä käytetään yleisesti haavasidoksissa, palovammojen hoidossa ja muissa tarkoituksissa. Roboteissa se voisi korvata luotettavasti raskaampia materiaaleja, kuten muovia.

Hydrogeeli parantaa pehmeitä robotteja

Pehmeät robotit valmistetaan erilaisista taipuisista materiaaleista, joiden avulla ne voivat suorittaa erityisiä tehtäviä. Näihin tarkoituksiin suunnitellut laitteet mahtuvat ahtaisiin tiloihin, kulkevat monimutkaisissa raunioissa ja voivat jopa auttaa lääkkeiden kuljettamisessa. Tutkijoiden mukaan hydrogeelit voisivat tulevaisuudessa korvata pehmeiden robottien kumia ja hydraulisia osia.

Pehmeillä roboteilla on tietyissä käyttökohteissa merkittäviä etuja jäykkiin robotteihin nähden. Ne voivat esimerkiksi mukautua levittämään paineensa laajemmalle alueelle, jolloin kosketus on pehmeämpi. Kun tähän yhdistetään kyky mukautua lähes mihin tahansa ympäristöön, ne sopivat erinomaisesti tiettyihin tehtäviin.

Nykyiset Järjestelmät

Hydrauliikka ja pneumatiikka hallitsevat tällä hetkellä robotiikka-alaa. Järjestelmät ovat luotettavia, ja niitä on käytetty eri muodoissa vuosikymmeniä. Niillä on kuitenkin merkittäviä haittoja etenkin pienoiskokoisissa ja taipuisissa roboteissa.

Esimerkiksi näihin järjestelmiin muotonsa muuttamiseksi tukeutuvat robotit tarvitsevat letkuja, putkia ja pumppuja. Niiden valmistaminen mikroskooppisessa mittakaavassa voi olla lähes mahdotonta. Suuremmassakin mittakaavassa jokainen pumppu ja letku lisää näiden pienten laitteiden painoa. Paino lyhentää akun kestoa, heikentää liikkumiskykyä ja vaikuttaa muihinkin ominaisuuksiin. Tutkijoiden hydrogeelilöytö voisi siksi auttaa robotteja toimimaan monipuolisemmin, optimoida painoa ja mahdollistaa uusia käyttötapoja.

Tutkijat uskovat läpimurron voivan edistää pehmeää robotiikkaa parantamalla tehokkuutta ja ketteryyttä sekä vähentämällä painoa. Hydrogeelit voisivat korvata kumia monesta syystä. Keskeiset edut ovat keveys sekä se, ettei hydraulisia tai pneumaattisia järjestelmiä tarvita. Tämä yksinkertaistaa pehmeiden robottien rakentamista.

Mikroskooppinen Ilmiö

Tutkijat kuvaavat mikroskooppista ilmiötä, jonka he havaitsivat tutkiessaan hydrogeelien laajenemista ja supistumista eri olosuhteissa. ”Jatkuvan aineen huokoelastisuusteoria” esittelee hydrogeeliin perustuvan ratkaisun, joka täyttää mikrorobotiikan vaatimukset. Se on kevyt, luotettava, hallittava ja nykyisiä vaihtoehtoja helpompi valmistaa.

Hydrogeelin Tutkimustiedot

Tutkijat aloittivat luomalla ohuen hydrogeelikalvon. Huokoinen kerros päästi veden ja ionit tietyissä olosuhteissa vapaasti lävitseen. Ensimmäinen poikkeava havainto oli, että geelin diffuusioforeesiksi kutsuttu prosessi nostaa geelin osmoottista painetta äkillisesti. Diffuusioforeesi sai hydrogeelin turpoamaan välittömästi, kun siihen lisättiin ioneja.

Hydrogeeli palautuu alkuperäiseen kokoonsa poistettuaan nesteen. Ioneilla käsitellyt hydrogeelit laajenivat ja supistuivat satoja kertoja nopeammin kuin alkuperäisillä menetelmillä. Tulokset osoittivat myös diffuusioforeettisen turpoamisen olevan huomattavasti tehokkaampaa.

Lisääntynyt Ketteryys

Tutkijat ovat innostuneita, koska löytö voisi tehdä pehmeistä roboteista ketterämpiä. Yksi tavoitteista on esimerkiksi ollut ihmiskäden näppäryyden ja ketteryyden saavuttava robottikäsi. Ryhmä uskoo löydön olevan tärkeä askel kohti tätä tavoitetta. Jos se onnistuu, pehmeät robotit voivat lähivuosina hoitaa yhä enemmän ihmiskosketusta edellyttäviä tehtäviä.

Suuremmat Robotit

Toinen merkittävä havainto on, että hydrogeelillä voitaisiin rakentaa suurempia pehmeitä robotteja. Tällä hetkellä useimmat pehmeät robotit rajoittuvat mikroskooppiseen kokoon. Hydrogeelin tuoma lisävoima ja pienempi paino mahdollistavat laitteiden kasvattamisen jopa senttimetrin kokoisiksi. Pienet robotit työskentelevät usein parvissa tehokkuuden parantamiseksi.

Hydrogeeliä käyttävien pehmeiden robottien käytännön sovellukset

Pehmeillä roboteilla on monia käytännön sovelluksia. Nykyisin niitä käytetään hedelmien poimintaan ja varastojen lajitteluun, ja tulevaisuudessa ne voivat tehdä terveydenhuollon tehtäviä. Seuraavassa ovat tärkeimmät alat, joihin pehmeä robotiikka vaikuttaa.

Valmistus

Valmistava teollisuus on pehmeiden robottien merkittävin käyttöala. Kuljetinhihnoilla käytetään käsimäisiä laitteita, jotka nostavat herkkiä esineitä pakkauksiin tai lajittelevat niitä eri luokkiin. Tulevaisuudessa nämä robotit voivat kehittyneiden anturien ja tekoälyn avulla ”tuntea”, mitä ne poimivat.

Etsintä ja Pelastus

Pehmeillä roboteilla voisi olla tärkeä rooli luonnonkatastrofeista selvinneiden löytämisessä. Suurten katastrofien jälkeen rauniot usein vaikeuttavat pelastustöitä ja aiheuttavat lisää uhreja. Robotit voisivat pujotella katastrofialueiden läpi ja paikantaa selviytyjiä nopeammin kehittyneillä antureilla. Ne voisivat auttaa selviytyjiä viestimään ja tarvittaessa jopa toimittaa henkeä pelastavia tarvikkeita.

Tutkimus

Robotit voisivat tehostaa myös tutkimusmatkoja. Robotit ovat syvän avaruuden ja merien tutkimuksen tulevaisuus: ne voivat mennä syvemmälle, matkustaa kauemmas ja tarjota arvokkaampaa tietoa kuin ihmiset. Erityisesti pehmeät robotit voisivat päästä aiemmin näkemättömiin paikkoihin, kuten valtamerten syvyyksiin, koska ne mukautuvat paineeseen. Tämä voisi edistää tutkimusta uusilla tieteenaloilla.

Terveydenhuolto

Pehmeillä roboteilla on monia terveydenhuollon käyttökohteita. Ne voisivat auttaa lääkkeiden annostelussa, sairauksien torjunnassa, veden puhdistuksessa ja monessa muussa. Biorobotiikassa kehitetään jatkuvasti innovatiivisia hybridikoneita, joiden keskeisissä osissa käytetään elävää kudosta. Tällaiset laitteet voisivat jonain päivänä parantaa miljoonien elämää esimerkiksi proteeseilla, joita käyttäjä ei edes huomaa, sekä monilla muilla elämää helpottavilla ratkaisuilla.

Johtavat Robotiikkayritykset

Robotiikka on nopeasti kehittyvä markkina, jota aiemmin hallitsi vain muutama keskeinen yritys, kuten Boston Dynamics. Nykyään vaihtoehtoja on paljon enemmän, sillä ala kattaa monia eri osa-alueita. Tässä on yrityksiä, jotka voisivat hyödyntää hydrogeelejä tuotteidensa parantamisessa.

1. Intuitive Surgical

ISRG Hintakaavio

Intuitive Surgical (ISRG ) on lääketieteellisen robotiikan edelläkävijä. Yrityksellä on monia erottuvia tuotteita ja palveluja, kuten Da Vinci- ja Ion-leikkausavustajat. Nämä huipputekniset ratkaisut edistävät vähän kajoavaa kirurgiaa. Uusin Da Vinci -päivitys antaa kirurgien muun muassa tuntea viillot palautteen avulla.

Intuitive Surgical on vahva lisä sijoitussalkkuun. Yhdysvaltalaisyritys kuuluu NASDAQ-100- ja S&P 500 -indekseihin, ja sen palveluille on paljon kysyntää. Yhtiön mukaan maailmalla on käytössä yli 8 600 Da Vinci -järjestelmää. Se onkin saavuttanut maineen robotiikan maailmanlaajuisena teknologiajohtajana.

2. UiPath

PATH Hintakaavio

UiPath (PATH ) on ohjelmistorobotiikkaan (RPA) keskittyvä yritys. Se kehittää ohjelmia, joiden avulla robotit oppivat toistuvia tehtäviä ja ottavat ne sitten ihmisten hoidosta. Yritys perustettiin Romaniassa ja muutti New Yorkiin kasvaessaan merkittäväksi markkinatoimijaksi. Nykyään se on maailman johtava RPA-ohjelmistojen tarjoaja.

UiPath nousi markkinajohtajaksi tasaisen laadun ja suorituskyvyn ansiosta. Sen palvelujen on toistuvasti osoitettu tehostavan monien suurasiakkaiden, kuten Canonin, EY:n, VITALin ja TQL:n, toimintaa. Yritys on myös ollut useasti esillä Forbesissa. Nämä tekijät tekevät UiPathista seurannan arvoisen osakkeen.

Pehmeiden Robottien Ongelmat

Pehmeiden robottien laaja käyttöönotto edellyttää joidenkin ongelmien ratkaisemista. Niillä ei esimerkiksi ole jäykkien robottien kestävyyttä tai suorituskykyä. Myös rajattoman moniin liikesuuntiin taipuvien robottien hallinta herättää huolta. Liikkeiden mallintaminen vaatii paljon innovaatioita ja aikaa. UiPathin kaltaiset yritykset tulevat varmasti olemaan yhä tärkeämpiä pehmeiden robottien ohjausjärjestelmien kehittämisessä.

Tutkijat

Tutkimuksen teki ryhmä, jota johtivat Virginia Techin fyysikko C. Nadir Kaplan ja tohtorikoulutettava Chinmay Katke. Heitä avustivat professori C. Nadir Kaplan ja Peter A. Korevaar Alankomaiden Radboudin yliopistosta.

Hydrogeeli Voi Tehdä Pehmeistä Roboteista Käyttökelpoisempia

Hydrogeelilöydön tehnyt ryhmä on saattanut löytää avaimen pehmeiden robottien hyödyllisyyden parantamiseen. Hydrogeelit voisivat korvata kumia, hydrauliikkaa, toimilaitteita ja muita raskaampia sekä monimutkaisempia vaihtoehtoja. Näistä syistä tutkimusta voi pitää merkittävänä läpimurtona, jota kannattaa seurata.

Opi muista hienoista robotiikkaprojekteista nyt.