Robotica
Robotica Vooruitstuwen met Meerschaalzuiging
Voeg Securities.io toe aan je voorkeursbronnen op Google
Robots en de studie van robotica zijn een voortdurend evoluerend vakgebied dat nieuwe wegen blijft verkennen om onze processen efficiënter en geoptimaliseerder te maken. Deze inspanningen en verkenningen worden vaak geïnspireerd door de natuur en het dierenrijk om ons heen. Bijvoorbeeld, wetenschappers aan de Universiteit van Bristol ontwikkelden een robotische zuigcup met superadaptieve zuigcapaciteiten die lijken op de biologische zuigers van een octopus.
Octopus-geïnspireerd Zuigmechanisme in Robots
Alles begon bij het Bristol Robotics Laboratory met het bestuderen van de structuur van de biologische zuigers van een octopus, die zeer hoge zuigkrachten vertonen en zich op elke rots op de meest geoptimaliseerde manier kunnen verankeren. Dit onderzoek leidde tot de creatie van een meerlagige zachte structuur en een kunstmatig vloeistofsysteem dat zich kon gedragen als de spier- en slijmstructuren van een octopus.
Terwijl hij de belangrijkste prestatie van dit onderzoek uitlegde, zei Tianqi Yue, de hoofdauteur van het artikel, het volgende: “De belangrijkste ontwikkeling is dat we met succes de effectiviteit hebben aangetoond van de combinatie van mechanische conformatie – het gebruik van zachte materialen om zich aan de vorm van het oppervlak aan te passen – en vloeistofafdichting – het verspreiden van water over het contactoppervlak om de zuigadaptiviteit op complexe oppervlakken te verbeteren. Het kan ook het geheim zijn achter het vermogen van biologische organismen om adaptieve zuiging te bereiken.”
De sleutelontwikkeling is daarom een stap hoger gegaan dan de huidige modus van kunstmatige zuiging en betreedt het domein van adaptieve zuiging – het vermogen om zich aan de moeilijkste en meest complexe oppervlakken te hechten. Dit vereiste een multi-zuigmechanisme, en het onderzoek toonde aan hoe dit te bereiken.
Historisch Onderzoek om Beter te Begrijpen Hoe Octopuszuigers Werken
Begrijpen hoe zuiging bij octopussen werkt, is al lange tijd een interessegebied voor de wetenschappelijke gemeenschap. Onderzoekers wisten dat octopussen hun zuigers onafhankelijk konden bewegen en objecten konden grijpen wanneer dat nodig was.
Een studie uitgevoerd door onderzoekers in Livorno kijkte meer dan een decennium geleden naar octopussen en ontdekte dat de zijkanten en randen van hun zuigers uniek waren opgebouwd. Hun zuigers hadden kleine, concentrische groeven, die hen hielpen een sterke afdichting te vormen op elk ruw oppervlak onder water.
Vergelijkbare groeven waren ook te zien in het bovenste gedeelte, wat resulteerde in een afdichting die effectief en sterk was, maar toch lage druk had.
Bij nader onderzoek naar dit lage-drukfenomeen kwamen onderzoekers tot meer inzichten over de zuigers. Ze ontdekten dat terwijl de zijkanten en randen van de zuigers zacht waren, de bovenkant veel stijver was. Deze lagere elasticiteit hielp waarschijnlijk bij de lokale generatie van lage druk, waardoor de hechting superieur, robuust en efficiënt werd.
Sinds deze ontdekking zijn er gesprekken geweest over het nabootsen van octopuszuigmechanismen in robots. Nu zien we de inspanningen vruchten afwerpen.
Multi-Zuigmechanisme en Hoe Het Gekraakt Werd!
Het onderzoek stelde dat het octopus-achtige multi-zuigmechanisme kan worden gerepliceerd door een organische combinatie van mechanische conformatie en gereguleerde waterafdichting. De meerlagige zachte materialen die de robotische oplossing gebruikte, genereerden eerst een ruwe mechanische conformatie met het substraat, waardoor lekopeningen tot micrometers werden gereduceerd. Deze micron-grote openingen werden vervolgens afgedicht door gereguleerde watersecretie van een kunstmatig vloeistofsysteem.
De Toekomstige Implicaties van dit Onderzoek
Terwijl ze de potentiële toepassingsgebieden benadrukten, merkten de onderzoekers op dat deze ontwikkeling de weg kan vrijmaken voor robotische grijpers die geschikt zijn voor een verscheidenheid aan complexe droge oppervlakken. Ze legden de nadruk op het belang van dit meerschaal adaptieve zuigmechanisme bij het ontwikkelen van effectievere en uniek adaptieve zuigstrategieën, wat kan leiden tot een volledig spectrum van veelzijdige, zachte hechtingsmechanismen.
Terwijl ze de verbetering benadrukten die deze oplossing biedt ten opzichte van bestaande oplossingen, zei Tianqi Yue:
“Huidige industriële oplossingen gebruiken altijd-aan luchtpompen om actief de zuiging te genereren, echter, deze zijn lawaaierig en verspillen energie.”
De huidige oplossing heeft geen pomp nodig, dus is die superieur. En zoals verwacht door de ontwikkelaars, zal de huidige oplossing leiden tot next‑gen robotische grijpers die efficiënt verschillende onregelmatige objecten kunnen grijpen. Het team plant zelf een intelligente zuigcup met ingebedde sensoren die het gedrag van de cup adequaat kunnen reguleren.
Hoewel dit onderzoek en de oplossing die het voorstelt duidelijk als een doorbraak kunnen worden beschouwd, is de wetenschappelijke en robotica‑gemeenschap altijd geïnspireerd door octopussen.
Het Verbazingwekkende Wezen dat de Octopus is
De genetische opbouw van een octopus is zo uniek dat deze aanzienlijk verschilt van bijna elk ander wezen op deze planeet. Een DNA‑studie over octopussen toonde aan dat ze ongeveer 33.000 genen bezitten, ongeveer 10.000 meer dan een mens. In tegenstelling tot mensen en veel andere dieren die hun genetische code kunnen verbeteren, hebben octopussen de verbazingwekkende mogelijkheid om hun eigen RNA te bewerken.
Er waren ook enkele overeenkomsten met mensen. En deze overeenkomsten hielpen hen intelligenter te worden, net als mensen.
Zo bezit de octopus een reeks mensachtige genen die bijdragen aan een neuraal netwerk in hun hersenen. Dit neurale netwerk maakt hen aanpasbaar aan verschillende omstandigheden en snelle leerlingen. Bovendien verbetert hun vermogen om hun RNA te bewerken hun aanpassingsvermogen, waardoor ze de extreme kou van de diepe oceaan kunnen weerstaan.
Visueel duidelijk hebben octopussen een groot brein. En, net als mensen, hebben ze een gesloten bloedsomloop, iris‑beschermde ogen, netvlies en lens.
Octopussen hebben ook de beste camouflage‑mogelijkheden. Nu hun genetische code is gedecodeerd, zal het voor wetenschappers makkelijker zijn te begrijpen hoe ze dit bereiken. Ze veranderen hun huidkleur in milliseconden, een vermogen waar neurowetenschappers, textiel‑ingenieurs en constructie‑ingenieurs van kunnen profiteren.
De Geest van een Octopus
De fysiologische briljantheid van een octopus, vooral zijn grote brein, heeft wetenschappers gemotiveerd om zijn cognitieve processen dieper te bestuderen.
In 2016 schreef Peter Godfrey‑Smith, een Distinguished Professor of Philosophy aan het Graduate Center, City University of New York, en een professor in de geschiedenis‑ en filosofie van de wetenschap aan de Universiteit van Sydney in Australië, een boek getiteld ‘Other Minds: The Octopus, the Sea and the Deep Origins of Consciousness.’ In dat boek schreef hij:
“Octopussen en hun verwanten (kikkervisjes en inktvissen) vormen een eiland van mentale complexiteit in de zee van ongewervelde dieren. Sinds mijn eerste ontmoetingen met deze wezens ongeveer een decennium geleden, ben ik gefascineerd door het krachtige gevoel van betrokkenheid dat mogelijk is bij interactie met hen.”
In het boek benadrukte professor Godfrey‑Smith dat een gewone octopus ongeveer 500 miljoen neuronen in zijn lichaam heeft. Hoewel dit veel minder is dan wat mensen hebben – bijna 100 miljard – zijn octopussen redelijk intelligent in die zin dat ze eenvoudige doolhoven kunnen navigeren en visuele signalen effectief kunnen gebruiken om twee verschillende maar bekende omgevingen te onderscheiden en de beste route te nemen.
Het is de mix van intelligentie en fysiologische uniekheid die octopussen onderscheidt van de rest. In wezen heeft de robotica altijd geprobeerd deze staat te bereiken waarin intelligente instrumenten complexe taken uitvoeren. Het is dan ook geen wonder dat robotica‑studenten dit verbazingwekkende wezen gestaag verkennen. Naast institutionele onderzoekers zijn verschillende bekende bedrijven actief in dit veld.
#1. ABB
Een bedrijf dat altijd al interesse heeft gehad in het nabootsen van octopus‑capaciteiten in zijn producten, is ABB. In 2018 sloeg ABB Technological Ventures, de strategische venture‑capital tak van ABB, een partnerschap met Soft Robotics, een spin‑off van de Whitesides Group.
Geïnspireerd door de functionaliteit van de tentakels van een octopus, ontwikkelde Soft Robotics zachte robotische actuatoren van polymeren die werken zonder sensoren of elektromechanische apparaten. Het bedrijf bouwde en integreerde de rekencapaciteit direct in de grijper zelf en ontwikkelde een eigen mengsel van materialen met microfluïdische kanalen die de zachte weefsels van de menselijke hand nabootsen.
Recente ontwikkelingen in het integreren van meerschaalzuiging in geavanceerde robotica kunnen de effectiviteit en efficiëntie van deze technologieën verbeteren.
Octopussen, bekend om hun hogere intelligentie en geavanceerde oogstructuren die op die van mensen lijken, hebben aanzienlijke ontwikkelingen in de robotica geïnspireerd. Dit jaar heeft ABB Sevensense verworven, een Zwitsers technologiebedrijf dat zich specialiseert in het verbeteren van de mobiliteit van industriële robots door ze te voorzien van visuele en cognitieve mogelijkheden.
In het financiële jaar 2023 rapporteerde ABB Group omzet van US$32,2 miljard. Het bedrijf deed ook een aanzienlijke investering van US$1,3 miljard in onderzoek en ontwikkeling. Ondertussen lag de operationele EBITA‑marge dicht bij 17 %.
#2. Festo
In een ander voorbeeld, waar een toonaangevend robotica‑bedrijf al interesse heeft getoond en de multischalaardige zuiging mogelijk verder wil benutten om hun mogelijkheden te verbeteren, kijken we naar het Duitse robotica‑bedrijf Festo’s robot geïnspireerd door een octopus.
Oorspronkelijk OctopusGripper genoemd, kon dit robotapparaat voorwerpen oppakken, vasthouden en neerzetten met een combinatie van zuigers en lucht. Het is sindsdien hernoemd tot de Tentacle Gripper. Het bedrijf beschrijft deze bionische grijper als een zachte siliconenstructuur die pneumatisch kan worden aangestuurd. Wanneer perslucht wordt toegevoerd, kan de grijper naar binnen buigen, waardoor hij zich stevig om voorwerpen kan wikkelen.
Structureel heeft de grijper twee rijen zuigkoppen die aan de binnenkant van de siliconen‑tentakels zijn bevestigd. Kleine zuigkoppen bevinden zich aan de punt van de grijper en geven een passief effect, terwijl grotere zuigkoppen, aangedreven door een vacuüm, het object stevig aan de grijper laten hechten.
Festo testte de robot op twee pneumatische lichtgewicht‑robots die ook ontwikkeld zijn in het Bionic Learning Network: de BionicMotionRobot en de BionicCobot. Door hun kinematische aard waren beide robots flexibel en konden ze op oneindige manieren variabel worden verstevigd.
Aangezien de kunstmatige tentakel is ontwikkeld van een zacht materiaal, kon hij zacht en voorzichtig grijpen. Het bedrijf beweerde dat de oplossing groot potentieel heeft voor futuristische collaboratieve werkplekken.
Financieel gezien was het jaar 2023 een jaar van consolidatie voor het bedrijf. Volgens een persbericht van Festo was de geregistreerde omzet net onder het niveau van het voorgaande jaar (‑4,3 % tot ongeveer 3,65 miljard euro).
Ongeacht de lichte daling in omzet beweerde het bedrijf dat het zwaar bleef investeren in onderzoek en ontwikkeling en de uitbreiding van de regionale marktvoorziening. Concreet investeerde het bedrijf 7,7 % van de omzet in onderzoek en ontwikkeling in 2023.
Over Robotica die Inspiratie Haalt uit de Natuur en het Dierlijke Rijk
Vandaag bespraken we één specifiek voorbeeld van robotica die cues haalt uit de zuigers van een octopus. Echter, vanuit een breder perspectief kan het cues halen uit de gehele natuurlijke wereld om ons heen. En meerdere bio‑geïnspireerde robotica‑initiatieven zijn al in de publieke sfeer actief.
Zo werd er in januari 2024 onderzoek gepubliceerd dat een autonoom groeiende robot presenteerde, geïnspireerd door de adaptieve gedragstrategieën van klimplanten om ongestructureerde omgevingen te navigeren. Deze robots konden de apicale scheuten van klimplanten nabootsen om via een ingebouwde additieve productiemechanisme en een gesensoriseerde tip adaptieve groei te detecteren en te coördineren.
Significant onderzoek vond ook plaats op het gebied van materialen die compatibel zijn met soft robot manufacturing. Een paar jaar geleden ontwikkelde een team van University of Minnesota Twin Cities wetenschappers en ingenieurs een plant‑geïnspireerd proces om synthetische materiaalgroei mogelijk te maken.
De oplossing zou onderzoekers kunnen helpen verbeterde zachte robots te vervaardigen die complexe terreinen kunnen navigeren, zelfs binnen het menselijk lichaam. Volgens Matthew Hausladen, de eerste auteur van het artikel, waren de onderzoekers sterk geïnspireerd door hoe planten en schimmels groeien. De onderzoekers zeiden:
“Wij (het onderzoeksteam) namen het idee dat planten en schimmels materiaal toevoegen aan het einde van hun lichamen, ofwel aan hun wortelpuntjes of aan hun nieuwe scheuten, en vertaalden dat naar een technisch systeem.”
De natuurlijke wereld heeft oneindig meer veranderingen en verschuivingen doorgemaakt dan wij ons kunnen voorstellen, waarbij dieren over millennia hebben overleefd en zich hebben aangepast. We moeten hun ongelooflijke aanpassingstechnieken nauwgezet bestuderen en ze in meer detail observeren. Het proberen te repliceren in hun ware geest zou ons altijd helpen veel meer te bereiken dan we ons kunnen voorstellen op het gebied van wetenschap en technologie.
Klik hier voor een lijst van de tien beste robotica‑bedrijven.
