3D-printen kan robots veiliger maken door biomimetiek

Een onderzoek dat deze maand is gepubliceerd in Advanced Intelligent Systems, introduceert een nieuwe vorm van robotactuator die biomimetiek gebruikt om beweging te creëren die lijkt op de manier waarop uw spieren werken. Deze zachte actuators stellen ingenieurs in staat om flexibele apparaten te maken die unieke taken kunnen uitvoeren, zoals buigen of vormen veranderen. Hieronder volgt wat u moet weten.

Soft Robotics

Zachte of ‘niet-compliante’ robots zijn een groeiend veld met onbeperkt potentieel. Deze apparaten kunnen zich verplaatsen en vouwen om in smalle spleten, om hoeken en in andere scenario’s te passen waar een stijf apparaat zou falen. Als zodanig is de markt voor soft robotics in opkomst, met analisten die voorspellen dat deze een jaarlijks groeipercentage van 55,4% zal behalen tot 2029.

Problemen met traditionele actuators

Een factor die de groei van de soft robotics-sector blijft beperken, is de huidige selectie van actuators. Elke actuator maakt een andere bewegingsvector mogelijk voor de eenheid. however, deze apparaten creëren harde punten in niet-compliante robotstructuren. Deze harde punten voorkomen echte vrijheid van beweging.

Bovendien is een andere actuator vereist voor elke bewegingsbereik. Als zodanig kunnen ze bijdragen tot het gewicht en de kosten van deze apparaten. Zwaardere robots gebruiken meer energie, waardoor ze minder nuttig, efficiënt en productief zijn.

Gebruik van biomimetiek om een betere actuator te creëren

Het onderzoek gaat dieper in op een nieuwe vorm van zachte actuator die meer lijkt op menselijke spieren, omdat deze zich uitstrekt en samen trekt op hetzelfde moment. Deze combinatie creëert meer kracht en stelt uw lichaam in staat om deze kracht efficiënter over te dragen. Tot nu toe hebben robotingenieurs zich voornamelijk gericht op actuators die konden uitbreiden en samen trekken, met weinig aandacht voor hun stijfheid tijdens het proces.

Source – Advanced Intelligent Systems

Onderzoekers

Onderzoekers van Northwestern en McCormick School of Engineering werkten samen om de mogelijkheden van een nieuwe biomimetische actuator te onderzoeken. Het onderzoek werd geleid door Taekyoung Kim. Hij kreeg hulp van Pranav Karthik, Ryan Truby, en Junior Professor of Materials Science and Engineering en Mechanical Engineering aan de McCormick School of Engineering, Donald Brewer. Samen creëerden dit innovatieve team een nieuwe productieproces en werkende prototypes en voerden diepgaand onderzoek uit naar hun nieuwe biomimetische actuator.

Een nieuwe stijl van actuator

De eerste stap die het team zette, was het 3D-printen van het lichaam van hun eenheid. De onderzoekers moesten een structuur vinden die kon buigen en draaien, maar ook druk kon weerstaan wanneer dat nodig was. Specifiek heeft het ontwerp bellows die automatisch verwarren door torsionele buckling bij toenemende koppel. Deze manoeuvre creëert een helicale vorm die torsionele belasting efficiënt kan overdragen.

Beter materiaal voor de taak

Ze realiseerden zich al snel dat de normale 3D-printactuator-materialen niet flexibel genoeg zouden zijn om de taak te voltooien. Na veel overleg werd besloten om thermoplastisch polyurethaan te gebruiken voor hun apparaat. Dit materiaal wordt aangetroffen in veel dingen die u elke dag gebruikt. Het is dat rubberachtige materiaal dat uw telefoonhoesje en andere bezittingen gebruiken om beschermd te blijven. Opvallend is dat dit materiaal rekbaar is en torsionele koppel kan weerstaan wanneer dat nodig is.

Enkele motor

Een van de grootste veranderingen die de onderzoekers aan traditionele actuators hebben aangebracht, was het elimineren van de behoefte aan meerdere motoren. Hun apparaat kan een veelheid van vormen aannemen en in meerdere richtingen bewegen door simpelweg de enkele motor te laten draaien, waardoor het apparaat zich uitstrekt en samen trekt.

Unieke bewegingen

Het ontwerp met één motor biedt deze robots maximale flexibiliteit. Het kan uitbreiden en draaien om aan de behoeften van de omgeving en doelen te voldoen. Bovendien reduceert het ontwerp met één motor de kosten en kan het de ontwerp van toekomstige apparaten vereenvoudigen.

Robotische kruiper

Het eerste apparaat dat het team creëerde, was een 26 centimeter lange robotkruiper. Deze eenheid kan uitbreiden en buigen, afhankelijk van het koppel dat op het servo wordt uitgeoefend. De robot is in staat om te bewegen als een worm door een trekbeweging te creëren die het mogelijk maakt om door complexe omgevingen te navigeren met 32 centimeter per minuut.

Het team zette hun kruiper op de proef in een openbare video. De eenheid kan worden gezien terwijl deze zich een weg baant door een complexe buis die vereist dat de robot scherpe bochten maakt om te navigeren naar de vrijheid. Het apparaat kon gemakkelijk door de smalle, kronkelende bochten navigeren met succes.

De resultaten van de kruipertest waren positief. De robot is in staat om 45% verlenging te bereiken, waardoor deze lang en dun kan worden wanneer dat nodig is. Bovendien noteerde het team dat de eenheid een maximale geblokkeerde duwkracht van ongeveer 8 N heeft.

Kunstmatige bicep

Het volgende prototype dat het team demonstreerde, was een robotbicep. Dit apparaat integreert een 6-assige lastcel, lineaire gids en een enkele servo om koppel en beweging te genereren die lijkt op een menselijke bicep.

Het apparaat is gemaakt van hetzelfde rubbermateriaal als de zachte schacht. Dit ontwerp biedt niet-lineaire, viscoelastische responsen. Deze acties resulteren in een hysteresis kracht-verplaatsingsrespons, waardoor het apparaat voorwerpen kan buigen zoals een menselijke arm.

De ingenieurs testten hun robotbicep om zijn mogelijkheden te zien. De eenheid slaagde erin om een gewicht van 500 g 5.000 keer te tillen zonder te falen. Deze resultaten demonstreren de herhaalbaarheid en effectiviteit van de nieuwe benadering van robotbewegingen.

Test

De testfase bood waardevolle feedback aan onderzoekers die hun toekomstige ontwerpen zullen verbeteren met behulp van deze gegevens. De ingenieurs waren geïnteresseerd in het verzamelen van vitale informatie, waaronder actuator-koppel, duw- en trekkruk, treksterkte en andere vitale stresstests die kunnen helpen bij het bepalen van de maximale mogelijkheden van de nieuwe setup.

Voordelen

Het onderzoek van de onderzoekers kan enkele verreikende gevolgen hebben voor de markt. Het veld van soft robotics blijft uitbreiden en naarmate meer van deze apparaten in productie worden genomen, worden hun voordelen meer zichtbaar. Hieronder volgen een paar manieren waarop dit onderzoek de soft robotics-markt kan helpen stimuleren.

Maak robots veiliger

Een van de belangrijkste redenen waarom er een stimulans is om soft robots te creëren, is dat ze veel veiliger zijn om mee te werken. Naarmate fabrikanten soft robotics meer integreren in hun workforce, zal het meer voorkomen dat mensen en robots samenwerken. Soft robots maken een veel betere werkpartner in de meeste scenario’s om verschillende redenen.

Ten eerste zijn ze minder waarschijnlijk om u pijn te doen als u tegen ze aan loopt. Tegen een metalen buis aan lopen is al pijnlijk genoeg. De pijn kan worden verergerd als het metalen apparaat in beweging is en u raakt. Soft robots zullen helpen om kleine verwondingen door mild botsen en aanrijdingen te elimineren.

Soft robots kunnen werken in omgevingen waar traditionele robots te gevaarlijk zouden zijn om te gebruiken. Bijvoorbeeld, ze zouden kunnen helpen bij het opkweken van vee in de toekomst. Voor nu zijn deze apparaten beter geschikt voor mensgerichte omgevingen in vergelijking met traditionele harde robots.

Lage kosten

Een van de grootste voordelen van het onderzoek is de besparing. Het creëren van robotische servers en harde robots is een dure taak die beperkt is tot voornamelijk grote fabrikanten voor decennia. Recentere doorbraken hebben geholpen om het speelveld te levelen voor kleinere operaties.

Deze laatste ontwikkeling verlaagt de kosten verder. Volgens de documentatie van de onderzoekers kostten de robotprototypes die ze gebruikten slechts $3 aan materialen, exclusief de servo. Deze goedkope alternatief opent de deur voor meer integratie, aangezien er veel taken zijn die robots zouden kunnen doen, maar kostenbeperkingen hebben beperkt tot nu toe. Spoedig kunnen goedkope soft robotics worden gevonden die helpen in uw dagelijks leven.

Gebruik gewone 3D-printers.

Een andere doorbraak was de introductie van een 3D-printer-vriendelijke biomimetische actuator. De mogelijkheid om deze apparaten te fabriceren met een standaard 3D-printer betekent dat iedereen de resultaten van het onderzoek van de onderzoekers kan integreren en nieuwe en innovatieve soft robotontwerpen kan creëren.

Geïntegreerd

De onderzoekers zijn trots dat hun nieuwe actuator naadloos kan worden geïntegreerd in de huidige robotontwerpen. Deze stap zal helpen om adoptie te stimuleren en innovatie te vereenvoudigen. Het helpt ook ontwikkelaars om directe feedback te krijgen op hun onderzoek, aangezien meer ingenieurs hun strategie gebruiken.

Huidige marktleiders

De soft robotics-markt heeft enkele serieuze concurrenten onder de topspelers. Een recent onderzoek vond dat slechts 5 topfabrikanten 40% van de soft robotics-markt controleren. Hetzelfde onderzoek vond dat Noord-Amerika de race leidt in termen van adoptie. Enkele topfabrikanten zijn onder andere Parker Hannifin, SRT, Myomo, Bionik Laboratories en Panasonic.

1. Cyberdyne

Cyberdyne is een cybernetisch technologiebedrijf dat zich richt op het combineren van AI, robotics en informatiesystemen om een nieuw niveau van efficiëntie en mogelijkheden te creëren. Het bedrijf is een pionier in de cybernetische markt en wordt erkend als een van de toponderzoekers en fabrikanten van soft robotapparaten.

Cyberdyne heeft enkele indrukwekkende groei gezien. Het bedrijf zag zijn omzet toenemen van ¥2,15 miljard tot ¥3,29 miljard in één jaar. Veel van deze groei kan worden toegeschreven aan succesvolle ondernemingen in de medische apparatuursector.

2. Soft Robotics

Soft Robotics is een andere belangrijke speler in de sector. Dit bedrijf specialiseert zich in geautomatiseerde fabricage en landbouwtaken. De apparaten van het bedrijf integreren geavanceerde visuele inspectieoplossingen en AI-algoritmen om ervoor te zorgen dat hun apparaat voorwerpen kan oppakken, sorteren en bepalen met precisie.

Soft Robotics introduceert een zachte greep die 3D-visie en AI gebruikt om complexe taken te voltooien die eerder alleen mogelijk waren met mensen. Deze apparaten empoweren telers met hoge-snelheidspicking, sorteren en verpakkingsmogelijkheden. Opvallend is dat Soft Robotics een goed voorbeeld is van hoe soft robots de productiviteit kunnen verbeteren.

3. Ekso Bionics Holdings

(EKSO )

Ekso Bionics Holdings is een wereldleider in exoskelettechnologie. De technologie van het bedrijf dient meerdere rollen, van zorg tot fabricage. Ze bieden momenteel een verscheidenheid aan exoskeletten aan die specifiek worden gebruikt voor revalidatie, therapie en het helpen van mensen met mobiliteitsproblemen om te herstellen.

Ekso biedt zowel bovenste torso- als onderlichaamsexoskeletten aan. Deze apparaten stellen de drager in staat om verder te reizen, meer te tillen en meer spanning te weerstaan zonder uitgeput te raken. De positie en pioniersproducten van het bedrijf hebben geholpen om aanzienlijke omzetwinsten te behalen sinds 2022.

Bedrijven die kunnen profiteren van de biomimetische actuator

Veel bedrijven kunnen het onderzoek van de onderzoekers gebruiken en hun huidige aanbod verbeteren. Deze bedrijven zijn al actief in de markt en bieden producten aan die mogelijk verbeterd kunnen worden met deze technologie in termen van grotere efficiëntie, lagere overheadkosten of betere aanbod.

ReWalk Robotics

ReWalk is een aanbieder van bionische loopsystemen. Het bedrijf heeft duizenden mensen geholpen om hun mobiliteit terug te krijgen dankzij zijn innovatieve benadering en focus. ReWalk Robotics zoekt ernaar om mensen met een dwarslaesie te helpen om hun leven terug te krijgen met zijn unieke producten.

De ReWalk-bionische loopassistente heeft servo-aangedreven beenschachten, een rugzakbatterij en een polsgemonteerde afstandsbediening. Dit apparaat kan worden ingesteld om te bewegen wanneer het wordt geactiveerd of om automatisch beweging te detecteren. In deze modus kan het systeem de acties van de drager versterken met minimale inspanning.

Rewalk Robotics heeft een consensusrating van “kopen” vanwege zijn positie in de markt. Het bedrijf blijft de grenzen verleggen met zijn unieke ontwerpen en producten. De introductie van extra technologie, zoals AI en biomimetische actuators, kan de kosten van hun eenheden in de toekomst aanzienlijk verlagen.

RightHand Robotics

Righthand Robotics is een andere soft robotfabrikant. Het bedrijf is gevestigd in Boston en biedt een selectie van producten aan die zijn ontworpen om efficiënte pick-oplossingen te bieden aan de markt. Het bedrijf zoekt ernaar om retailers te empoweren om gestroomlijnde online-commerce te bedrijven met de hulp van hun robotsorteeropties.

Opvallend is dat Righthand Robotics meerdere onderscheidingen heeft ontvangen voor zijn inspanningen. Het bedrijf werd vermeld als Robotics Bedrijf van het Jaar bij de New England Venture Capital Association (NEVY) Awards voor zijn werk in het veld.

Biomimetiek zal het leven voor iedereen gemakkelijker maken.

In de toekomst zullen robots veel meer posities innemen. Soft robots zullen helpen bij deze integratie, aangezien deze apparaten beter geschikt zijn om samen met mensen te werken dan traditionele eenheden. Voor nu kan het onderzoek dat door deze ingenieurs is uitgevoerd helpen om robots van zeldzaam naar zeer betaalbare opties te maken die iedereen kan kopen. Daarom is het verstandig om deze ontwikkelingen te volgen terwijl ze zich ontvouwen.

Leer over andere interessante projecten nu