Puoliksi itsenäiset pehmeät robotit valmiina pelastamaan henkiä

Kun ajattelet robotteja, kuvittelet todennäköisesti jäykkää konetta, joka pystyy suorittamaan tehtäviä tai avustamaan sinua pyrkimyksissäsi. Kuitenkin toinen robottiluokka herättää jatkuvasti huomiota ja tuo innovaatioita – pehmeät robotit. Nämä ainutlaatuiset laitteet voivat muuttaa muotoaan ja toimintaansa moniin tehtäviin. Tässä on, mitä sinun tulee tietää.

Mitä pehmeät robotit ovat ja miksi ne ovat pelin muuttajia?

Pehmeän robotiikan sektori on jännittävä markkina, joka jatkaa suurten päivitysten ja innovaatioiden näkemistä. Monet näkevät nämä laitteet avaintekijänä katastrofien avustustoimissa. Näiden yksiköiden pehmeä ja säädettävä luonne mahdollistaa niiden puristautumisen läpi pieniin reikiin ja putkiin tarvittaessa, jolloin robotti pääsee vaikeimpiin paikkoihin, jotka olisivat perinteisillä vaihtoehdoilla muuten saavuttamattomia.
Pehmeät robotit on rakennettu joustavista materiaaleista, jotka mahdollistavat rakenteen muuntamisen ja taivuttamisen tarpeen mukaan. Nämä laitteet tulevat monissa muodoissa: jotkut on suunniteltu ryömimään putkissa kuin käärme, kun taas toiset voivat taittua tai rullautua palloksi, tarjoten parempaa pääsyä tilanteen vaatiessa.

Keskeiset haasteet, jotka hidastavat pehmeiden robottien kehitystä

Pehmeät robotit eivät ole täydellisiä. Niiden sisäänrakennettu suunnittelu ja materiaalit tekevät näiden laitteiden luomisesta tasapainottelua suorituskyvyn ja komponenttien sijoittamisen välillä alueilla, joissa ne eivät rajoita joustavuutta. Aikaisemmin insinöörit rajoittivat käytettyä elektroniikkaa vähentääkseen pehmeiden robottien elektroniikan jäykkyyttä.

Integroituja antureita näissä järjestelmissä vähentämällä voidaan poistaa jäykkiä piirilevyjä ja servoja, mutta se myös tarkoittaa, että näiden laitteiden viestintä on yleensä rajoitettu yksisuuntaisiin järjestelmiin. Nämä järjestelmät ovat tapa, jolla ohjaaja navigoi robotin läpi karun maaston.

Tunnistaen tämän lähestymistavan rajoitukset, useiden johtavien tutkimuslaitosten luova insinöörijoukko on esittänyt parannetun pehmeän robottisuunnittelun, joka vähentää jäykkyyttä ja nostaa suorituskykyä kaikilla osa-alueilla.

Läpimurto tutkimus paljastaa älykkäämmät, joustavat pehmeät robotit

Tutkimus “Langaton, monitoiminnallinen järjestelmään integroidtu ohjelmoitava pehmeä robotti”¹ , julkaistu Nano-Micro Letters -lehdessä, esittelee uuden pehmeän robottikonseptin, joka on kykenevämpi ja edullisempi kuin aikaisemmat vaihtoehdot. Osana robotin päivitettyjä ominaisuuksia tiimi esitteli joukon antureita, jotka mahdollistavat laitteen tekemään puoliksi itsenäisiä päätöksiä sen nykyisen tilanteen ja ympäristön perusteella.

Lähde – Jennifer M. McCann

Seuraavan sukupolven pehmeiden robottien suunnittelun sisäpiiri

Uuden pehmeän robottisuunnittelun osana tiimi aloitti pehmeän robotin rakenteen uudelleenluomisella alusta alkaen. He ymmärsivät, että laitteen täytyy toteuttaa useita muotoja ja liikkeitä mahdollisimman vähäisellä energian kulutuksella. Tämän tehtävän saavuttamiseksi he integroivat magnetisesti reagoivia pehmeitä komposiittimatriiseja muovautuvien monitoimisten elektroniikkojen kanssa.

Miten insinöörit säilyttävät joustavuuden kehittyneissä pehmeissä roboteissa

Pehmeiden robottien joustavuuden säilyttäminen on merkittävä haaste suunnittelijoille ja insinööreille. Joka kerta kun lisäät toisen sirun, anturin, akun tai servon, rajoitat robotin kyseisen osan joustavuutta merkittävästi. Tämän seurauksena kykenevämmillä pehmeillä roboteilla on yleensä vähemmän joustavuutta, koska niiden keskeiset komponentit eivät voi taivuttaa ilman vikaantumista.
Tiimi vietti paljon aikaa keskustellen ihanteellisesta langattomasta piiristä, antureista ja laitteista. Tämän jälkeen insinöörit päättivät parhaan sijainnin näille laitteille, jotka vaikuttaisivat liikkeeseen. Lopulta sovittiin erityisestä asettelusta, jossa elektroniikka sijoitettiin siten, että botti pystyi täysin säätämään itseään ja jopa käpertymään palloksi tarvittaessa.

Magnetisesti ohjattu liike: Kuinka nämä pehmeät robotit liikkuvat

Insinöörien täytyi sitten selvittää, miten robotille annetaan kyky muuttaa muotoaan. Tässä vaiheessa he kääntyivät useiden magneettisten yhdisteiden puoleen. Erityisesti magneettiset yhdisteet valmistetaan sekoittamalla synteettiset WcMP:t silikonielastomeeriin ja kovetusaineeseen.

Tästä eteenpäin laseria käytettiin magneettisten pehmeiden komposiittien mallintamiseen ennen lämmön soveltamista. Seuraavassa vaiheessa insinöörien täytyi ohjelmoida ulkoinen magneettikenttä (200 mT) kiertämään ja kohdistamaan upotettujen magneettisten hiukkasten suuntaa. Lopuksi uudet magneetit annettiin jäähtyä.

Nämä tarkoitukseen rakennettuja magneetteja on suunniteltu läpikäymään faasimuutos alhaisessa lämpötilassa, mikä mahdollistaa insinööreille magneettisen napaisuuden vaihtamisen sekunneissa. Säätelemällä kentän voimakkuutta ja suuntaa tiimi voi saada robotin suorittamaan tiettyjä tehtäviä ja muotoja. He huomauttavat, että laite voidaan taivuttaa, kiertää ja ryömiä tällä menetelmällä.

Pehmeiden robottien ohjaus tarkasti magneettikenttien avulla

Laboratorio loi magneettisen materiaalin, joka upotettiin yksikön joustavaan rakenteeseen. Tämä toimenpide mahdollisti insinööreille laitteen ohjaamisen magneettikenttien avulla. Insinöörit sovelsivat kenttää käsimagneettien ja elektromagneettikenttägeneraattoreiden kautta.
Erityisesti kaupallinen pysyvä NdFeB-magneetti ja räätälöity sylinterimagneetti valittiin parhaaksi tavaksi soveltaa ulkoista magneettikenttää. Nämä laitteet tuottavat riittävän voiman magneettisen pehmeän robotin liikuttamiseen.

Integroituja antureita, jotka tekevät pehmeistä roboteista puoliksi itsenäisiä

Tämän tutkimuksen ytimessä oli halu luoda ensimmäiset puoliksi itsenäiset pehmeät robotit. Nämä laitteet integroitaisivat anturijoukon, jonka avulla ne voisivat tehdä päätöksiä ympäristön perusteella. Esimerkiksi ne voisivat asettaa yksikön reagoimaan lämpötilan muutoksiin, esteisiin tai aikarajoitteisiin.

Magneettisen häiriön voittaminen pehmeiden robottien elektroniikassa

Insinöörit tiesivät, että magneettien yhteispiste aiheuttaisi uusia ongelmia, jotka on ratkaistava, erityisesti häiriöitä. Magneettikentät ovat erinomaisia magneettien aktivointiin, mutta eivät niin hyviä elektronisten häiriöiden suhteen. Nämä magneettikentät voivat häiritä elektronisia toimintoja ja aiheuttaa kaaosta.
Tämän vuoksi insinöörit viettivät paljon aikaa ihanteellisen elektroniikkasuunnittelun määrittämiseen. He pystyivät määrittämään parhaan anturi- ja siruasennuksen häiriötason ja esivoiman perusteella. Tämä vaihe varmisti, että pehmeä robotti ei äkillisesti epäonnistu muuttaessaan muotoaan ja muuttaessaan sähkömagneettisia ominaisuuksiaan.

Pehmeiden robottien kykyjen testaaminen todellisissa ympäristöissä

Demonstroidakseen pehmeiden robottien kykyjä tiimi rakensi pienen esteiden radan. Pieni magneettisesti voimalla toimiva laite pystyi kulkemaan monenlaisilla maastoilla ja esteillä suoriutuen matkan onnistuneesti. Robotin voi nähdä julkaistussa videossa, jossa se kulkee maastoa muuttaen muotoaan ja asetteluaan.