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.

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.

Robotti menee ensin putkeen ja muodostaa pallon, mikä mahdollistaa sen nopean läpäisemisen esteen läpi. Sieltä se kohtasi useita erilaisia maastoja, jotka vaihtelivat asettelussa, korkeudessa ja karheudessa. Näiden testien aikana insinöörit seurasivat tarkasti vakautta ja elektronisen suorituskyvyn.

Kuinka sähkökomponentit toimivat magneettisen rasituksen alla

Robotin sähkökomponentit testattiin myös perusteellisesti. Nämä testit mittasivat elektromagneettisen häiriön vaikutuksia laitteiden keskeisiin komponentteihin, kuten induktoriin, lämpötilaan, venymiseen, transistoreihin, kondensaattoreihin, μ-LED:iin, μ-lämmittimeen, mikrokontrolleriin (μC), diodeihin ja Bluetooth low‑energy -järjestelmäpiiriin.

Tulokset osoittavat, että uusi pehmeä robottisuunnittelu parantaa suorituskykyä

Testitulokset osoittivat, että uusi pehmeä robottisuunnittelu oli erittäin tehokas ja suoriutui paremmin kuin perinteinen pehmeä robotiikka. He huomauttivat, että langattomat sähkörobotit ja magneettisesti reagoivat suunnitellut komposiitit mahdollistivat insinööreille poikkeuksellisen liikeradan ja muotojen valikoiman.
Robotin suunnittelu tarjoaa vakaan ja tarkan monimuotoisten sähkötoimintojen toteutuksen ilman mekaanisen liikkeen menetyksiä. Lisäksi anturit mahdollistivat robotin tehdä reaaliaikaisia päätöksiä tavoitteensa saavuttamiseksi. Tämä lähestymistapa osoitti laitteen mukautumiskyvyn ja kyvyn suorittaa monimutkaisia tehtäviä laajassa olosuhteiden kirjossa.

Pehmeiden robottien hyödyt pelastuksessa, lääketieteessä ja teollisuudessa

Tämä pehmeä robottitutkimus tuo markkinoille monia etuja. Ensinnäkin se avaa ovet kykenevämmille ja ketterämmille laitteille. Magneettien käyttö servoiden sijaan tekee näistä yksiköistä paljon joustavampia, kevyempiä ja reagoivampia. Nämä edut tarkoittavat, että insinöörit voivat olla tulevaisuudessa innovatiivisempia suunnitelmissaan. Se myös mahdollistaa suunnitelmien skaalaamisen ylös tai alas tarpeiden mukaan.

Käytännön esimerkit ja pehmeiden robottien tulevaisuus

Pehmeillä roboteilla on tänään monia sovelluksia markkinoilla. Teollisten tehtävien hallitsemisesta ihmisten rinnalla työskentelyyn, nämä laitteet muokkaavat markkinoita monin tavoin. Tässä on joitakin parhaista käyttötapauksista pehmeälle robotiikalle tulevina vuosina.

Hätätilanteiden pelastus

Monet analyytikot näkevät pehmeät robotit parhaana ratkaisuna katastrofien pelastustoimille. Kun tapahtuu suuria katastrofeja, kuten maanjäristyksiä tai tulvia, pelastusryhmät voivat olla estyneitä tapahtuman aiheuttaman suuren määrän raunioita ja tuhoa.
Pehmeät robotit on suunniteltu navigoimaan näissä olosuhteissa helposti. Tulevaisuudessa ne voidaan varustaa antureilla, jotka auttavat paikantamaan selviytyjiä teknologioilla, kuten sydämenlyönti- tai ammoniakkisensoreilla. Näitä yksiköitä voidaan massoittain käyttää ryömimään sortuneiden rakennusten tai karujen viidakkojen läpi, kunnes ne löytävät elämää. Näin ne voivat tulevaisuudessa olla arvokas työkalu ensiapuhenkilökunnalle.

Lääketiede

Pehmeä robotiikalla on pitkä ja mielenkiintoinen historia lääketieteen alalla. Nämä laitteet voisivat joskus toimittaa lääkettä vaikeasti tavoitettaviin alueisiin, kuten maksaan tai munuaisiin. Nämä robotit pystyvät navigoimaan ihmisen kehon monimutkaisia polkuja ja suorittamaan tehtäviä.
Esimerkiksi robottipilleri integroi kehittyneitä antureita, jotka voivat seurata tietoja, kuten pH-muutoksia tai paineen vaihteluja lähteessä. Insinöörit näkevät jopa päivän, jolloin voit saada injektion, jonka avulla robotti ladataan kehoosi hoitamaan sydän- ja verisuonisairauksia, toimittamaan lääkkeitä tai valvomaan elintärkeitä tietoja.

Teollinen avustus

Pehmeä robotiikka tulee olemaan kaikkialla tulevaisuuden tehtaissa. Toisin kuin kovametallit, pehmeät robotit voivat työskennellä ihmisten vieressä ilman loukkaantumisriskin kasvamista. Jo tiedemiehet ovat tarkastelleet antureihin perustuvaa reagointijärjestelmää, joka saa nämä yksiköt reagoimaan kuin ihminen törmäyksessä työkavereihin, vetäen takaisin ja estäen loukkaantumisen.

Tapaa pehmeiden robottien innovaation takana olevat insinöörit

Tämä tutkimus sisälsi osallistujia useista merkittävästi vaikuttavista oppilaitoksista. Erityisesti Penn State -insinöörit johtivat tutkimusta yhdessä muiden instituutioiden tutkijatiimin kanssa.
Raportti luettelee Sungkeun Han, Jeong-Woong Shin, Joong Hoon Lee, Bowen Li, Gwan-Jin Ko, Tae-Min Jang, Ankan Dutta, Won Bae Han, Seung Min Yang, Dong-Je Kim, Heeseok Kang, Jun Hyeon Lim, Chan-Hwi Eom, So Jeong Choi, Huanyu Cheng ja Suk-Won Hwang kontribuutioina. Siinä kerrotaan myös, että Etelä-Korean Kansallinen Tutkimusrahasto ja Korea Institute of Science and Technology rahoittivat tätä tutkimusta.

Mitä seuraavaksi pehmeille roboteille: Miniaturisointi ja lääketiede

Insinöörien mukaan heillä on paljon suunnitelmia parantaa laitettaan tulevaisuudessa. He toivovat järjestelmän edelleen miniaturisoimista, jotta se soveltuisi biolääketieteellisiin käyttötapauksiin. Kuvittele pilleri, joka on robotti suunniteltu skannaamaan suoliston ja ruoansulatusjärjestelmän. Kaikki nämä vaihtoehdot ja enemmän ovat pöydällä.

Sijoittaminen bioteknologiaan

Robotiikan ala on nopeasti kasvava sektori, joka ulottuu yrityksistä, jotka rakentavat sotakoneita, aina mikroskooppisiin koneisiin, jotka voit niellä. Tämä monipuolinen sektori on nähnyt merkittävää investointia ja innovaatiota viimeisen vuosikymmenen aikana. Tämä tutkimus on johtanut korkean suorituskyvyn robottien esittelyyn, jotka ovat nyt kaupallisesti saatavilla. Tässä on yksi yritys, joka jatkaa innovaation ajamista robotiikassa ja bioteknologiassa.

iRhythm Technologies: Johtava tekoälypohjainen sydämen monitorointiyritys

Vaikka nykyinen tutkimus ei ole vielä kaupallistettu, muut bioteknologiayritykset, kuten iRhythm Technologies, osoittavat jo AI:n integroinnin lupaavuutta terveyden seurantarobotiikassa.

iRhythm Technologies (IRTC ) perustettiin vuonna 2006 ja se on rekisteröity Delawareen. Sen perustaja, Uday N. Kumar, perusti yrityksen tarjoamaan huippuluokan sydän- ja verisuonijärjestelmien seurantajärjestelmiä ensiapuhenkilökunnalle. Sen ensimmäinen tuote oli anturipohja, joka otettiin käyttöön terveydenhuoltosektorilla.

Tänä päivänä iRhythm Technologies tarjoaa sarjan kehittyneitä sydämen seurantalaitteita. Nämä yksiköt yhdistävät omaa tekoälyä ja koneoppimista tunnistaakseen rytmihäiriöt nopeammin. Erityisesti yritys jatkaa tuotteidensa ja tekoälyn parantamista integroimalla dataansa tuleviin laitteisiin. Ne, jotka etsivät pääsyä bioteknologiayritykseen, jolla on jo vahva markkinatuki, tulisi harkita IRCTC:tä.

Uusimmat iRhythm Technologies -uutiset

Miksi pehmeät robotit voivat pelastaa henkiä lähitulevaisuudessa

Kun tarkastelet näiden laitteiden käyttötapaus-skenaarioita ja kykyjä, on helppo nähdä, että ne täyttävät markkinaraon, jonka perinteiset robotit eivät koskaan pysty täyttämään. Näin ollen kysyntä näille ainutlaatuisille laitteille kasvaa, kun niiden kyvyt ymmärretään paremmin.

Onneksi tämä viimeisin tutkimus auttaa valaisemaan näitä laitteita ja avaa oven lisää innovaatioita varten. Toistaiseksi kuka tahansa, joka haluaa auttaa nimeämään näitä robotteja, voi lähettää parhaat vaihtoehdot Chengille osoitteessa [email protected].

Lue lisää muista hienoista robotiikoista täältä.

Viitteet:

^{1. Han, S., Shin, JW., Lee, J.H. et al. Langaton, monitoiminnallinen järjestelmään integroidtu ohjelmoitava pehmeä robotti. Nano-Micro Lett. 17, 152 (2025). https://doi.org/10.1007/s40820-024-01601-3} (NRC )