Meningkatkan Robotika Lunak dengan ‘Energi Terwujud’ Membuka Kemungkinan Baru

Robotika adalah pasar yang berkembang pesat, diproyeksikan untuk berkembang dari $94,54 miliar pada 2024 menjadi lebih dari $372,59 miliar pada 2034. 

Robot industri saat ini memimpin pertumbuhan ini. Hari ini, lebih dari 3.4 million robot industri bekerja untuk mempermudah hidup kita. Perusahaan industri juga berencana menginvestasikan 25% dari modal mereka dalam otomasi industri selama lima tahun ke depan.

Seiring robotika terus mendapatkan perhatian, subbidang robotika juga menarik perhatian peneliti. Karena permintaan robot meningkat dalam aplikasi di luar otomasi industri, subbidang robotika lunak semakin menarik minat.

Robot-robot ini meniru mekanisme lokomosi tubuh lunak dan fleksibel yang ada di alam, seperti ular, cacing tanah, belut, gurita, dan lainnya. 

Robotika lunak mengambil inspirasi dari struktur biologis tubuh lunak ini untuk gerakan yang halus dan kompleks. Alih-alih menggunakan komponen keras, logam seperti robot tradisional, robot lunak biasanya dibuat dari bahan yang lentur seperti gel dan karet. Hal ini memungkinkan mereka beradaptasi dengan lingkungan yang kompleks dan berinteraksi dengan manusia secara aman.

Untuk penggeraknya, sejumlah cara berbeda digunakan, seperti rangsangan panas, sinyal listrik, dan tekanan udara, antara lain. Sumber aktivasi mereka biasanya berada di luar tubuh robot dan mengendalikan gerakannya.

Robot-robot ini menawarkan manfaat adaptabilitas dan keamanan yang ditingkatkan. Penggunaan material fleksibel dan ringan khususnya membuat mesin ini cocok untuk interaksi langsung dengan manusia karena mengurangi risiko cedera. Hal ini membuatnya sangat bermanfaat dalam aplikasi seperti perawatan kesehatan dan teknologi yang dapat dipakai.

Memiliki sambungan fleksibel dan gripper lunak memungkinkan robot-robot ini membengkok, memutar, dan meregang dengan mudah. Kemampuan melakukan gerakan biologis membuatnya dapat digunakan dalam tugas yang mungkin tidak aman bagi manusia atau memerlukan tingkat kontrol tinggi. Fleksibilitas struktural dan ketangkasan mereka juga membuatnya ideal untuk menangani objek rapuh dan melakukan tugas halus lainnya.

Namun tentu saja, robot lunak juga menghadapi tantangan seperti kekuatan terbatas, presisi rendah, daya tahan rendah, kesulitan dalam manufaktur dan skala, serta kebutuhan akan algoritma canggih dan sistem sensor yang luas.

Namun, mengingat kemampuan robot lunak sangat mirip dengan organisme biologis lunak, mereka menjadi fitur menjanjikan dalam berbagai bidang seperti perawatan kesehatan, pertanian, pencarian dan penyelamatan, serta eksplorasi luar angkasa.

Beberapa robot lunak yang menjanjikan telah dikembangkan. Misalnya, robot tentakel Harvard, yang memiliki gripper lunak mirip ubur-ubur dapat dengan lembut memegang objek rapuh dengan meniru mekanika rambut keriting.

Di bidang perawatan kesehatan, K-FLEX dari Korea Advanced Institute of Science and Technology memiliki kemampuan untuk melakukan operasi endoskopi tanpa bekas luka, dan jantung bionik MIT dapat membantu profesional medis mempelajari penyakit kardiovaskular serta menentukan jalur perawatan terbaik bagi pasien.

Robot lunak juga sedang dimanfaatkan untuk menjelajahi lautan. Beberapa tahun lalu, peneliti China memperkenalkan robot lunak bertenaga sendiri yang dapat mencapai titik terdalam — Palung Mariana. Untuk eksplorasi luar angkasa, robot lunak penggali yang disponsori NASA dapat menavigasi medan berpasir dan mungkin suatu hari dikirim untuk menjelajahi bulan-bulan Jupiter.

Seiring penelitian tentang robot lunak maju, mereka bahkan dapat diharapkan menggantikan robot kaku dalam berbagai aplikasi. 

Evolusi Spesies Robot Lunak

Sebuah studi baru dari Cornell Engineering telah memperkenalkan robot merayap darat tanpa kabel dengan sistem tenaga modular terintegrasi di seluruh tubuh lunaknya. 

Sebelum membuat robot cacing ini, Laboratorium membangun robot ubur-ubur bekerja sama dengan Archer Group dari Cornell Engineering. Keduanya merupakan keturunan langsung dari robot lunak berbasis cairan yang dipresentasikan enam tahun yang lalu. 

Jadi, pada tahun 2019, peneliti Universitas Cornell mempresentasikan sebuah makalah¹ berjudul “Electrolytic vascular systems for energy-dense robots.” Sistem ini, yang meniru baterai aliran redoks, menggabungkan fungsi transmisi gaya hidrolik, aktuasi, dan penyimpanan energi menjadi satu desain yang meningkatkan densitas energi robot sehingga dapat beroperasi hingga 36 jam. 

Untuk ini, para peneliti mengambil inspirasi dari ikan singa, yang menggunakan sirip berbentuk kipas berundul untuk meluncur melalui lingkungan terumbu karang.

Pada saat itu, para peneliti mencatat bahwa “penggunaan penyimpanan energi elektrokimia dalam cairan hidrolik ini dapat memfasilitasi peningkatan densitas energi, otonomi, efisiensi, dan multifungsi dalam desain robot masa depan.”

Beberapa bulan lalu, sebuah makalah baru², “The multifunctional use of an aqueous battery for a high capacity jellyfish robot,” dirilis. Kali ini, sebuah RFB dibentuk menjadi bentuk ubur-ubur, yang memberikan penggunaan energi multifungsi. 

Ubur-ubur sebagian besar terbuat dari zat yang disebut “mesoglea,” yang berfungsi sebagai kerangka internal. Material ini membuat tubuh ubur-ubur elastis dan membantu memulihkan bentuknya setelah terdeformasi akibat kontraksi otot. Mesoglea terdiri dari mikrofibril yang mengandung fibrillin yang digunakan ubur-ubur untuk menggerakkan ototnya serta memungkinkan ia bergerak dan makan.

Robot ini digerakkan sepenuhnya oleh RFB dengan densitas energi volumetrik dan areal yang meningkat, menghasilkan masa pakai operasional yang lama untuk UUV yang sebagian besar terdiri dari cairan, yang memiliki kepadatan energi elektrokimia tinggi.

Sekarang, penelitian³ telah berkembang lebih jauh, serupa dengan evolusi kehidupan darat, yang didorong oleh pengembangan dan desain baterai.

Menurut Rob Shepherd, profesor teknik mesin dan dirgantara, yang memimpin proyek sebelumnya dan proyek baru ini:

“Inilah cara kehidupan di darat berevolusi. Anda mulai dengan ikan, kemudian Anda mendapatkan organisme sederhana yang didukung oleh tanah. Cacing adalah organisme sederhana, tetapi memiliki lebih banyak derajat kebebasan.”

Cairan “darah robot” yang sama, yaitu cairan hidrolik yang menyimpan energi dan memberi daya pada aplikasi robot sebelumnya, juga mendukung spesies robot baru ini. Kali ini, para peneliti telah lebih meningkatkan desain untuk mencapai kapasitas baterai dan kepadatan daya yang lebih besar.

Ubur-ubur, catat Shepherd, memiliki kapasitas jauh lebih besar dibandingkan beratnya. Hal ini meningkatkan durasi waktu robot‑ikan dapat bergerak, yang lebih lama daripada ikan sebenarnya. Sekarang, versi pertama mereka di atas tanah adalah cacing, yang mendapatkan dukungan mengapung saat berada di bawah air dan tidak memerlukan kerangka, yang berarti tidak perlu kaku.

Klik di sini untuk mempelajari apakah keramik menjadi kunci untuk memperluas indera dalam robotika lunak.

Energi Terwujud Menggerakkan Robot Lunak

Seiring permintaan akan kelincahan yang lebih tinggi dalam robotika meningkat, kompleksitasnya juga akan meningkat. Hal ini berarti peningkatan kepadatan sensor dan derajat kebebasan (DoF), yang merupakan gerakan independen suatu objek.

Akibatnya, konsumsi daya robot kemungkinan juga akan meningkat, yang menjadikan kapasitas energi faktor penting yang harus dipertimbangkan.

Inilah tempat energi terwujud masuk ke dalam gambar. Ini adalah strategi desain yang meningkatkan tingkat densitas energi sistem melalui penggunaan multifungsi sumber daya yang tertanam. Pendekatan ini pada dasarnya memasukkan sumber daya ke dalam tubuh mesin, yang mengurangi biaya dan beratnya.

Robot cacing modelar yang dibangun oleh Organic Robotics Lab dan ubur-ubur mereka keduanya menampilkan manfaat dari ‘energi terwujud’ ini. 

Dengan menjadikan energi yang disimpan dalam baterai sebagai bagian integral dari struktur dan mekanisme robot, para peneliti berhasil mencapai hasil yang lebih baik. Studi tersebut mencatat:

“Menjadikan sumber daya sebagai bagian dari modul aktuator tendon yang digerakkan motor menyediakan unit otot buatan yang dapat digabungkan ke dalam robot yang mampu bekerja dalam jangka waktu lama dan berguna.”

Kedua robot menampilkan baterai aliran redoks (RFB), yang merupakan jenis sistem elektrokimia yang menyimpan energi yang diberikan oleh dua komponen kimia yang terlarut dalam cairan. 

Dalam kasus robot berbentuk ubur-ubur, RFB dibangun dengan tendon. Ketika tendon ditarik, ia mengubah bentuk lonceng dan mendorong makhluk tersebut ke atas, kemudian tenggelam kembali ketika lonceng rileks.

Lebih penting lagi, robot ubur-ubur dilengkapi dengan sepasang baterai redoks: zinc iodide (ZnI2) dan zinc bromide (ZnBr2). Bromin ditambahkan ke iodin dalam salah satu baterai untuk meningkatkan transportasi ion, yang meningkatkan kapasitas baterai dan kepadatan daya. Akibatnya, robot ubur-ubur menjadi lebih cepat dan lebih lincah, dengan masa pakai operasional sekitar 90 menit.

Sekarang, untuk menghindari masalah penumpukan dendrit pada substrat listrik baterai, yang menghambat pengisian dan pengosongan, para peneliti menggunakan graphene. Penerapan graphene memungkinkan mereka mencocokkan bidang kristal dan pelapisan seng yang lebih merata.

Robot cacing menampilkan desain berkompartemen. Tubuh cacing terdiri dari serangkaian pod yang saling terhubung, masing-masing berisi motor dan aktuator tendon untuk memungkinkan cacing memampatkan dan memperluas bentuknya. Setiap pod juga berisi tumpukan kantong anolit yang terendam dalam katolit.

Elemen penting dari desain ini adalah penggunaan metode adhesi kering untuk secara otomatis mengikat pemisah Nafion ke tubuh kopolimer silikon‑uretan cacing. Pemisah menjaga anolit dan katolit terpisah sambil memungkinkan muatan bergerak di antara keduanya, yang kemudian menggerakkan elektron melalui motor.

“Ada banyak robot yang digerakkan secara hidrolik, dan kami yang pertama menggunakan cairan hidrolik sebagai baterai, yang mengurangi berat keseluruhan robot, karena baterai berfungsi dua tujuan, menyediakan energi untuk sistem dan memberikan gaya untuk menggerakkannya. Jadi Anda dapat memiliki hal seperti cacing, di mana hampir semua energinya, sehingga dapat menempuh jarak jauh.”

– Shepherd

Setelah menguji robot cacing, para peneliti menemukan bahwa ia dapat merayap di tanah serta bergerak naik turun dalam pipa vertikal. Meskipun robot cacing dapat menavigasi jalur tertutup yang melengkung dan memanjat naik turun, kecepatannya cukup lambat, meskipun masih lebih cepat daripada robot cacing yang digerakkan secara hidrolik lainnya. Dengan satu kali pengisian, cacing membutuhkan 35 jam untuk menempuh 105 meter.

Cacing, menurut peneliti, dapat menemukan aplikasi dalam eksplorasi lingkungan terbatas seperti lorong panjang dan sempit serta kemungkinan melakukan perbaikan. Sedangkan ubur-ubur, kasus penggunaannya dapat ditemukan dalam eksplorasi laut. 

Didukung oleh Office of Naval Research dan Program Basic Energy Sciences dari Departemen Energi, penelitian ini baru permulaan, karena fokus pekerjaan mereka di masa depan akan pada RFB yang sepenuhnya cair. Studi tersebut mencatat bahwa baterai polisulfit‑iodida, dengan densitas energi tinggi dan biaya rendah, khususnya menunjukkan potensi untuk aplikasi robotika lunak.

Akhirnya, tim bertujuan membangun robot dengan kapasitas tinggi dan energi terwujud. Robot masa depan ini juga akan memiliki kerangka dan bahkan dapat berjalan, menghasilkan robot yang menyerupai manusia.

“Organisme yang tidak sempurna. Namun tetap cukup baik.”

– Shepherd

Perusahaan Terkait

Sekarang, mari kita lihat beberapa perusahaan publik yang membantu memajukan bidang robotika. 

1. iRobot Corporation

Perusahaan robot konsumen global, iRobot terlibat dalam perancangan, pembuatan, dan penjualan robot yang tahan lama. Produk-produknya meliputi Roomba, Braava, dan Root. iRobot telah menjual puluhan juta robotnya di seluruh dunia.

Dengan kapitalisasi pasar $231 juta, saham iRobot saat ini diperdagangkan pada $7,59, turun 2,45% YTD. EPS (TTM)nya adalah -4,60, sementara rasio P/E (TTM)nya adalah -1,64.

Baru-baru ini, perusahaan melaporkan hasil keuangan sementara untuk kuartal keempat 2024, yang memperkirakan pendapatan sebesar $171 juta dan kerugian operasional GAAP sebesar $59 juta. Mereka juga memperkirakan kas dan setara kas pada akhir tahun fiskal 2024 sekitar $134 juta.

CEO Gary Cohen mengatakan, hasil tersebut “mencerminkan pengeluaran promosi musiman yang lebih tinggi dari yang diperkirakan untuk merangsang penjualan sebelum peluncuran produk baru kami pada 2025.” Ia juga menyampaikan bahwa iRobot telah “secara fundamental mengubah cara kami berinovasi, mengembangkan, dan membangun robot kami,” dan bahwa peluncuran produk yang direncanakan “yang dirancang untuk menggembirakan konsumen dengan robot berfitur lengkap dan meningkatkan pengalaman produk konsumen” berada pada jalur yang tepat untuk dirilis tahun ini.

2. Teradyne

Pemasok global peralatan uji otomatis dan solusi robotika, Teradyne beroperasi melalui empat segmen yang fokus pada semikonduktor, produk nirkabel, sistem yang mencakup penyimpanan, dirgantara, dan papan sirkuit, serta robotika, yang mencakup lengan robotik, robot seluler otonom, dan perangkat lunak kontrol robotik canggih.

Perusahaan telah menyebarkan lebih dari 80.000 sistem robotik canggih di seluruh dunia dan telah menginvestasikan lebih dari $700 juta dalam robotik dan otomatisasi canggih. Robot MiR milik Teradyne menyederhanakan transportasi internal dan penanganan material, sementara cobotnya mendukung berbagai aplikasi. Solusi otomatisasinya memungkinkan bisnis meningkatkan efisiensi operasional dengan mengintegrasikan kekuatan mesin.

Dengan kapitalisasi pasar $18,74 miliar, saham Teradyne saat ini diperdagangkan pada $116, turun 8,61% YTD. EPS (TTM)nya adalah 3,32, sementara rasio P/E (TTM)nya adalah 34,68. Perusahaan membayar dividen dengan hasil 0,42%.

Untuk Q4 2024, perusahaan melaporkan pendapatan sebesar $753 juta, di mana $98 juta berasal dari Robotika sementara sisanya dari segmen semikonduktor. Pendapatan bersih GAAP untuk kuartal tersebut sebesar $146,3 juta atau $0,90 per saham terdilusi.

CEO Greg Smith mengaitkan pertumbuhan ini dengan komputasi AI yang kuat dan memori terkait sementara Mobile dan Auto/Industrial melampaui harapan. Percepatan pendapatan diperkirakan untuk tahun ini, dengan Teradyne berencana menyesuaikan secara strategis bisnis Robotikanya untuk meningkatkan pengalaman pelanggan dan mendorong efisiensi operasional.

3. Zimmer Biomet

Perusahaan teknologi medis global, Zimmer Biomet (ZBH ) terlibat dalam biologis, kedokteran olahraga, ekstremitas, produk trauma, produk bedah, dan rangkaian teknologi robotik yang memanfaatkan data, analitik data, dan AI. 

Dengan kapitalisasi pasar $22 miliar, saham Zimmer Biomet saat ini diperdagangkan pada $110,10, naik 4,72% YTD. EPS (TTM)nya adalah 5,25, sementara rasio P/E (TTM)nya adalah 21,07. Perusahaan membayar dividen dengan hasil 0,87%.

Untuk Q3 2024, perusahaan melaporkan penjualan bersih sebesar $1,824 miliar, meningkat 4% dibandingkan periode tahun sebelumnya, sementara laba bersihnya sebesar $249,1 juta. Laba per saham terdilusi untuk kuartal tersebut adalah $1,23, sementara laba per saham terdilusi yang disesuaikan adalah $1,74. Setelah “kinerja kuat” ini, CEO Ivan Tornos mengatakan mereka akan terus mengembangkan “misi untuk membantu jutaan orang mengurangi rasa sakit dan meningkatkan kualitas hidup mereka.” 

Selama periode ini, perusahaan mengakuisisi OrthoGrid Systems, perusahaan teknologi medis yang fokus pada sistem panduan bedah berbasis AI untuk penggantian pinggul total. Kini juga akan mengakuisisi Paragon 28 , perusahaan perangkat medis, dalam kesepakatan senilai $1,1 miliar untuk mengobati penyakit kaki dan pergelangan kaki.

Kesimpulan

Dengan meningkatnya permintaan akan otomatisasi dan efisiensi, popularitas robotika juga meningkat. Di tengah latar pertumbuhan yang kuat ini, subbidang robotika lunak mengalami banyak inovasi, membuka aplikasi baru dalam perawatan kesehatan, eksplorasi, dan otomatisasi industri. 

Evolusi robotika lunak—menggabungkan adaptabilitas yang terinspirasi dari organisme hidup dengan energi terwujud—memiliki potensi untuk akhirnya mengatasi keterbatasan lama dalam hal daya tahan dan efisiensi energi. Sebagai peneliti, didukung oleh inisiatif pemerintah, terus menyempurnakan desain robot dan sumber daya multifungsi, mesin-mesin ini secara bertahap menjadi kenyataan, meningkatkan aksesibilitas, efisiensi, dan keamanan.

Klik di sini untuk mempelajari bagaimana robotika lunak akan mendapat manfaat dari foam fluidics.