Pencetakan 3D Dapat Membuat Robotika Lebih Aman melalui Biomimetik

Sebuah studi yang diterbitkan di Advanced Intelligent Systems pada Juli 2024 memperkenalkan aktuator robotik yang meniru sifat gerak otot. Aktuator lunak ini memungkinkan pembuatan perangkat fleksibel yang dapat memanjang, memendek, dan berubah bentuk. Berikut cara kerja dan potensi penggunaannya.

Robotika Lunak

Robot lunak, atau robot dengan struktur yang lentur, merupakan bidang yang terus berkembang. Perangkat ini dapat berubah bentuk untuk melewati celah sempit dan tikungan yang sulit dilalui robot kaku. Salah satu perkiraan pasar yang dikutip memproyeksikan tingkat pertumbuhan tahunan majemuk (CAGR) sebesar 55,4% hingga 2029. Angka tersebut merupakan proyeksi, bukan hasil yang pasti.

Masalah dengan Aktuator Tradisional

Salah satu kendala dalam robotika lunak adalah pilihan aktuator yang tersedia. Aktuator menghasilkan gerakan, tetapi komponen penggerak yang kaku dapat menciptakan bagian keras di dalam struktur lentur. Hal ini membatasi keluwesan gerak robot.

Jika setiap gerakan memerlukan aktuator tersendiri, jumlah komponen, bobot, dan biaya dapat bertambah. Bobot yang lebih besar juga dapat meningkatkan kebutuhan energi dan mengurangi efisiensi perangkat.

Menggunakan Biomimetik untuk Membuat Aktuator yang Lebih Baik

Studi ini membahas aktuator lunak yang terinspirasi oleh otot manusia, yang dapat berkontraksi sekaligus menjadi lebih kaku untuk menyalurkan gaya. Perangkat baru memanfaatkan perubahan bentuk dan peningkatan kekakuan saat bekerja. Banyak aktuator lunak sebelumnya berfokus pada pemanjangan dan pemendekan, sementara perubahan kekakuannya kurang diperhatikan.

Sumber – Advanced Intelligent Systems

Peneliti

Penelitian dilakukan di McCormick School of Engineering, Northwestern University. Taekyoung Kim, peneliti pascadoktoral dan penulis pertama, mengerjakan riset bersama mahasiswa doktoral Pranav Kaarthik dan profesor Ryan Truby. Tim mengembangkan proses pembuatan serta prototipe aktuator biomimetik ini.

Desain Aktuator Baru

Tim mencetak struktur silinder dengan geometri khusus yang disebut handed shearing auxetics (HSA). Struktur ini memanjang dan mengembang ketika dipuntir. Komponen karet berlipat seperti bellow berfungsi sebagai poros yang dapat berubah bentuk, sehingga torsi dari motor bisa menggerakkan HSA tanpa menghilangkan kelenturannya.

Bahan yang Lebih Baik untuk Pekerjaan Ini

Bahan dan proses pencetakan sebelumnya membuat struktur HSA terlalu kaku atau mahal untuk tujuan ini. Tim menggunakan poliuretan termoplastik, bahan lentur yang juga banyak dipakai pada casing ponsel. Bahan tersebut dapat dicetak dengan printer desktop yang lebih terjangkau serta menghasilkan struktur yang lunak dan tahan deformasi.

Motor Tunggal

Salah satu perubahan pentingnya adalah penggunaan satu motor servo untuk menggerakkan satu struktur HSA. Putaran motor ke arah yang berbeda membuat aktuator memanjang atau memendek. Pendekatan ini menyederhanakan desain dibandingkan susunan sebelumnya yang memakai beberapa HSA dengan motor masing-masing.

Gerakan Unik

Desain satu motor mempertahankan kelenturan struktur sekaligus mengurangi jumlah komponen. Aktuator dapat memanjang dan berubah bentuk untuk menghasilkan gerakan yang dibutuhkan. Penyederhanaan ini juga berpotensi menekan biaya perangkat berikutnya.

Robot Perayap

Prototipe pertama adalah robot perayap sepanjang 26 sentimeter. Gerakan mendorong dan menarik dari aktuator membuatnya bergerak seperti cacing. Robot dapat merayap maju maupun mundur melalui ruang terbatas dengan kecepatan sekitar 32 sentimeter per menit.

Dalam video pengujian, robot perayap melewati lingkungan menyerupai pipa dengan tikungan sempit. Kelenturan tubuhnya membantu robot menyesuaikan bentuk dan menavigasi jalur tersebut.

Pengujian menunjukkan kemampuan pemanjangan sebesar 45%, sehingga struktur dapat menjadi lebih panjang saat diperlukan. Tim juga melaporkan gaya dorong maksimum ketika gerakan tertahan sekitar 8 N.

Biseps Buatan

Prototipe berikutnya adalah bisep robotik. Pengujiannya memakai sel beban enam sumbu, pemandu linier, dan satu motor servo untuk menghasilkan torsi serta mengukur respons geraknya.

Perangkat ini menggunakan bahan karet lentur yang sama dengan komponen porosnya. Responsnya bersifat nonlinier dan viskoelastis, dengan histeresis pada hubungan gaya dan perpindahan. Aktuator tersebut digunakan untuk menirukan gerakan mengangkat seperti bisep manusia.

Bisep robotik berhasil mengangkat beban 500 gram sebanyak 5.000 kali berturut-turut tanpa mengalami kegagalan. Hasil ini menunjukkan keterulangan gerak dan daya tahan perangkat dalam kondisi pengujian tersebut.

Pengujian

Tahap pengujian memberikan data untuk memperbaiki desain selanjutnya. Tim mempelajari antara lain torsi, gaya dorong dan tarik, respons terhadap pembebanan, serta karakteristik mekanis lain guna memahami batas kemampuan aktuator.

Manfaat

Penelitian ini dapat membantu pengembangan robotika lunak. Ketika semakin banyak perangkat dirancang untuk penggunaan praktis, manfaat struktur fleksibel menjadi semakin relevan. Berikut beberapa potensi kontribusinya.

Membuat Robot Lebih Aman

Salah satu tujuan pengembangan robot lunak adalah meningkatkan keselamatan interaksi dengan manusia. Seiring makin seringnya manusia dan robot bekerja berdampingan, struktur yang lentur dapat mengurangi dampak benturan dibandingkan komponen yang keras. Namun, keselamatan tetap bergantung pada desain dan kondisi operasinya.

Jika seseorang terbentur robot lunak, gaya benturannya dapat lebih kecil daripada jika ia terkena komponen logam yang kaku. Hal ini berpotensi mengurangi cedera ringan akibat kontak, meskipun tidak menghilangkan seluruh risiko benturan.

Robot lunak dapat membuka peluang penggunaan di lingkungan yang memerlukan kontak lebih aman, termasuk kemungkinan aplikasi di peternakan. Untuk lingkungan yang berpusat pada manusia, kelenturan merupakan salah satu keunggulan yang perlu dipadukan dengan pengendalian dan pengujian keselamatan.

Biaya Rendah

Biaya merupakan salah satu pertimbangan penting. Robot industri dan sistem penggeraknya dapat memerlukan investasi besar, sehingga sulit dijangkau sebagian usaha kecil. Proses pembuatan yang lebih sederhana dapat membantu memperluas akses.

Menurut laporan peneliti, bahan untuk prototipe robot ini hanya menelan biaya sekitar US$3, tidak termasuk motor servo. Biaya bahan yang rendah dapat memungkinkan penggunaan robot untuk tugas yang sebelumnya kurang ekonomis. Namun, biaya sistem lengkap juga mencakup komponen, pengendalian, perakitan, dan kebutuhan operasional lainnya.

Menggunakan Printer 3D Biasa

Struktur aktuator dapat dibuat dengan printer 3D desktop yang tersedia secara umum. Hal ini memudahkan peneliti dan pengembang yang memiliki bahan serta pengaturan pencetakan yang sesuai untuk mencoba desain dan mengembangkan robot lunak baru.

Kemudahan Integrasi

Tim merancang aktuator agar dapat digunakan sebagai komponen dalam berbagai sistem robotik. Desain yang lebih sederhana dapat membantu adopsi dan inovasi, sekaligus memudahkan pengembang lain menguji serta memberikan masukan terhadap pendekatan tersebut.

Pemimpin Pasar Saat Ini

Pasar robotika lunak melibatkan sejumlah perusahaan besar. Salah satu perkiraan pasar yang dikutip menyebut lima produsen utama menguasai sekitar 40% pasar dan Amerika Utara memimpin adopsi. Nama-nama yang disebut mencakup Parker Hannifin, SRT, Myomo, Bionik Laboratories, dan Panasonic. Pangsa pasar bergantung pada definisi serta periode laporan yang digunakan.

1. Cyberdyne

Cyberdyne mengembangkan teknologi sibernetika yang menggabungkan robotika, AI, dan sistem informasi. Perusahaan ini dikenal dengan perangkat bantuan gerak serta teknologi yang menghubungkan manusia dan mesin. Produk eksoskeletonnya berkaitan dengan robotika yang berinteraksi dengan manusia, meskipun tidak semuanya termasuk robot lunak.

Dalam periode pertumbuhan yang dibahas, pendapatan Cyberdyne meningkat sekitar 52%, dari ¥2,15 miliar menjadi ¥3,29 miliar dalam satu tahun. Pengembangan usaha peralatan medis menjadi salah satu bagian penting dari aktivitas perusahaan.

2. Soft Robotics

Soft Robotics juga bergerak dalam otomatisasi penanganan barang dan produk pangan. Sistemnya menggabungkan penglihatan mesin serta algoritma AI untuk membantu mengenali, mengambil, dan memilah objek.

Perusahaan ini menawarkan sistem pencengkeram lunak yang dipadukan dengan penglihatan 3D dan AI. Teknologi tersebut dapat membantu pekerjaan pengambilan, penyortiran, dan pengemasan yang memerlukan penanganan benda dengan bentuk beragam. Ini merupakan salah satu contoh penerapan robotika lunak untuk produktivitas.

3. Ekso Bionics Holdings

Ekso Bionics Holdings mengembangkan teknologi eksoskeleton untuk berbagai penggunaan, termasuk rehabilitasi dan bantuan kerja. Perangkatnya dirancang untuk membantu orang dengan keterbatasan mobilitas menjalani terapi atau melakukan aktivitas tertentu.

Ekso menawarkan perangkat untuk bagian atas maupun bawah tubuh. Bergantung pada model dan penggunaannya, perangkat dapat membantu gerak atau mengurangi beban kerja tertentu. Perkembangan produk dan posisinya di pasar telah mendukung pertumbuhan pendapatan sejak 2022, tetapi penggunaan eksoskeleton tidak berarti pemakainya bebas dari kelelahan.

Perusahaan yang Dapat Memanfaatkan Aktuator Biomimetik

Sejumlah perusahaan dapat memanfaatkan penelitian ini untuk mengembangkan produk yang lebih efisien, lebih terjangkau, atau lebih sesuai dengan kebutuhan pengguna. Penerapannya tetap memerlukan pengujian dan penyesuaian terhadap produk masing-masing.

ReWalk Robotics

ReWalk mengembangkan sistem berjalan bionik bagi orang dengan gangguan mobilitas, termasuk paraplegia. Perangkatnya dirancang untuk membantu pengguna berdiri dan berjalan dengan dukungan mekanis serta pelatihan yang sesuai.

Sistem bantuan berjalan ReWalk mencakup penyangga kaki bermotor, baterai yang dibawa di punggung, dan pengendali di pergelangan tangan. Sensor serta perintah pengguna digunakan untuk mengatur langkah. Pengoperasiannya memerlukan penyesuaian dan pelatihan; sistem ini tidak secara otomatis memulihkan kemampuan berjalan alami.

ReWalk Robotics memperoleh penilaian “beli” dari sejumlah analis berdasarkan prospek yang mereka lihat. Perusahaan terus mengembangkan desain dan produknya. AI dan aktuator biomimetik mungkin membantu meningkatkan perangkat pada masa depan, tetapi penurunan biaya yang besar belum dapat dipastikan.

RightHand Robotics

RightHand Robotics, yang berbasis di kawasan Boston, mengembangkan sistem robotik untuk mengambil dan menangani barang. Solusinya ditujukan antara lain untuk membantu pemenuhan pesanan perdagangan daring dengan penanganan objek yang lebih efisien.

RightHand Robotics pernah menerima penghargaan Perusahaan Robotika Terbaik Tahun Ini dalam ajang NEVY yang diselenggarakan New England Venture Capital Association atas pekerjaannya di bidang robotika.

Biomimetik Berpotensi Mempermudah Kehidupan

Robot berpotensi menjalankan lebih banyak tugas pada masa depan. Struktur lunak dapat membantu penggunaannya dalam lingkungan yang melibatkan manusia, sementara teknik pembuatan yang lebih murah dapat memperluas akses. Penelitian ini merupakan langkah menuju perangkat yang lebih terjangkau dan fleksibel, meskipun penerapan luas masih memerlukan pengembangan lebih lanjut.

Pelajari proyek robotika menarik lainnya di sini.