Zijn keramieken de sleutel tot het verbreden van zintuigen in zachte robotica om aanraking en temperatuur op te nemen?

Of je het nu leuk vindt of niet, je volgende collega kan een robot zijn. Tegenwoordig werken steeds meer mensen zij aan zij met autonome machines. Deze apparaten zijn ideaal voor het uitvoeren van taken variërend van het sorteren van items tot het uitvoeren van operaties. Daarom is er een grote vraag om het scala aan zintuigen uit te breiden, zodat deze apparaten hun omgeving beter kunnen begrijpen.

Robotica die kan voelen en voorwerpen kan manipuleren zoals een menselijke hand, is onderweg. Recentelijk heeft een groep ingenieurs van Empa het concept van voelende robots een stap verder gebracht. Hier is alles wat je moet weten over hoe keramiek de sleutel kan zijn tot het creëren van robots die temperatuur, aanraking, druk en meer kunnen voelen.

Smart Ceramics Studie

De studie “Sensor-Embedded Muscle for Closed-Loop Controllable Actuation in Proprioceptive Biohybrid Robots,”¹ gepubliceerd in Advanced Intelligent Systems, beschrijft hoe ingenieurs geavanceerd keramiek gebruikten om robotonderdelen te creëren die kunnen voelen. In het artikel gaan de ingenieurs dieper in op de creatie van kunstmatige voelapparaten die elektrische pulsen en sensoren benutten die direct in het oppervlak van de robotica zijn geïntegreerd.

Zachte keramiek

Om het project te begrijpen, moet je eerst even beseffen dat keramiek in vele verschillende vormen voorkomt. Terwijl je misschien aan decoratie of keukengerei denkt, bestaan er ook high‑performance keramieken. Deze componenten geleiden elektriciteit en bieden een solide structuur voor veel hedendaagse elektronica. Opmerkelijk is dat de onderzoekers hun inspanningen begonnen met experimenten met verschillende keramieken om hun gedrag en mogelijkheden te registreren.

Tijdens de proeven beschreef het team hoe ze dit materiaal in kleine deeltjes vermaalden. De deeltjes werden vervolgens ingebed in een thermoplastische matrix. Interessant genoeg werd een professionele 3D‑printer gebruikt om ervoor te zorgen dat het inbeddingsproces nauwkeurig werd uitgevoerd. Daarna werd het rekbare plastic gemanipuleerd, waardoor ingenieurs het gedrag van het materiaal konden registreren over een verscheidenheid aan elasticiteiten en posities.

High‑Performance Keramiek Test

De zachte sensormaterialen werden getest om te zien of ze temperatuur, rek, druk of vochtigheid konden registreren. Deze apparaten konden de verschillende zintuigen registreren met behulp van elektrische pulsen. Vervolgens nam het team de keramische veldmatrix en gebruikte deze om een prothesehand te maken.

Prothesehand

De prothesehand werd vervolgens gebruikt om de nauwkeurigheid en gevoeligheid van de zachte sensoren te testen. De sensoren in de hand waren specifiek ontworpen om warmte en druk te registreren. Bovendien kon het materiaal zijn positie ten opzichte van andere delen van de hand bepalen. De studie concludeerde dat het team erin geslaagd was een hand te creëren die de uitgeoefende druk kon voelen en zelfs kon reageren wanneer deze een andere persoon aanraakte.

Robot Huid

De volgende stap voor de onderzoekers was het proberen te creëren van robothuid. Het team begon met het maken van een meerlagige keramische matrix. De matrix werd gevuld met keramische deeltjes met een speciale gelaagde opstelling om aanraking en temperatuurveranderingen te monitoren. Deze robothuid was ontworpen om eruit te zien en aan te voelen als menselijke huid, waardoor het een slimme optie is voor robots die dicht bij mensen werken. Vervolgens ging het team aan de slag met het creëren van een AI‑model.

Slimme prothese

Een AI‑model regelt de reacties van de hand op basis van de omgeving en omstandigheden. Specifiek werd het AI‑model getraind met 4500 metingen en spierbewegingen. Deze training werd uitgevoerd met ingenieurs van ETH Zürich en de Universiteit van Tokio. De prothese maakt gebruik van weefsel‑geïntegreerde piëzoresistieve sensoren, waardoor het apparaat energie kan opwekken uit beweging, waardoor batterijen overbodig worden.

Resultaten

De resultaten van de studie tonen precies aan hoe een robot ontwikkeld kan worden die veilig naast mensen kan werken. Deze apparaten kunnen herkennen wanneer ze tegen een persoon botsen en zelfs terugtrekken, waardoor verwondingen worden voorkomen. Bovendien leert de AI van het systeem voortdurend van elke interactie, waardoor het de eerste proprioceptieve bio‑hybride robot is die kan voelen.

Potentiële Toepassingen

Er zijn veel toepassingen voor deze technologie. Het combineren van geavanceerde AI‑systemen met robots die kunnen voelen zal leiden tot de ontwikkeling van veiligere machines. Deze eenheden zullen taken kunnen uitvoeren die voorheen alleen door mensen mogelijk waren. Bovendien zullen ze veelzijdiger zijn, omdat ze hun omgeving kunnen waarnemen en hun acties kunnen aanpassen aan de omstandigheden.

Zachte robotica

Zachte robotica zijn apparaten die zachte materialen gebruiken in plaats van traditionele methoden. Zachte robots komen in vele vormen voor. Bijvoorbeeld, robotische sorteer machines moeten fruit en andere gevoelige producten oppakken en verplaatsen zonder schade te veroorzaken. Deze apparaten zullen een grote upgrade krijgen met de introductie van voelende huid en andere aanpassingen die hen in staat stellen te functioneren als menselijke handen.

Zachte robots hebben recentelijk om verschillende redenen interesse gewekt. Ze kunnen tegen je botsen zonder je te verwonden. Bovendien kunnen deze apparaten vaak hun vorm veranderen om moeilijk terrein te doorkruisen. Deze ontwikkeling zal ervoor zorgen dat zachte robots binnenkort temperatuur en druk kunnen voelen.

Gezondheidszorg

Verschillende bedrijven zijn gespecialiseerd in robotische chirurgen. Deze apparaten werken met precisie‑ en optische sensoren om de eenheid te begeleiden. De introductie van druk‑ en temperatuursensoren zou deze robots in staat stellen meer ingewikkelde operaties uit te voeren terwijl ze afgestemd blijven op de toestand van de patiënt.

Opmerkelijk is dat slimme protheses miljoenen patiënten kunnen helpen een betere levenskwaliteit te ervaren. Deze volgende‑generatie apparaten kunnen meerdere zintuigen integreren, waardoor de patiënt een natuurlijke ervaring krijgt. Bovendien, wanneer je deze technologie combineert met recente doorbraken in hersen‑controllers, kun je de dag zien waarop vervangende protheses van patiënten capabeler zijn dan hun oorspronkelijke exemplaren.

Zoek en redding

Zachte robots hebben een speciale rol gevonden binnen de zoek‑ en reddingssector. Deze apparaten kunnen ruwe omgevingen doorkruisen die vaak onbereikbaar zijn voor mensen. Ze kunnen worden gemaakt om zich als slangen te kronkelen of de vorm van kleine insecten aan te nemen. Indrukwekkend is dat deze apparaten al in rampgebieden zijn ingezet waar ze hebben geholpen levens te redden. De robots kunnen de gevaarlijke rampzones betreden en broodnodige hulp bieden voordat andere hulpverleners arriveren.

In de toekomst zou dit apparaat mensen in nood kunnen lokaliseren en zelfs routinematige scans van hun vitale functies uitvoeren, waardoor redders belangrijke gegevens over de toestand van de patiënt ontvangen. Bovendien zouden deze robots worden ingezet om de beste route te bepalen om de gewonde persoon te bereiken, aangezien het apparaat redders kan waarschuwen voor gevaren zoals hitte of chemicaliën.

Landbouw

De boeren wereldwijd zoeken voortdurend naar eenvoudige manieren om de efficiëntie te verbeteren. Naarmate de wereldbevolking groeit, blijven boeren innoveren om aan de toenemende vraag te voldoen. Zachte robotica kan hen helpen bij het voorbereiden, planten, oogsten en controleren van de kwaliteit van hun voedsel. Deze apparaten kunnen AI‑systemen integreren om hun mogelijkheden nog verder te verbeteren, waardoor ze met hoge nauwkeurigheid kunnen bepalen of een vrucht rijp of bedorven is.

Onderzoekers

Het Laboratorium voor High‑Performance Keramiek van Empa leidde de studie. Het team werkte samen met de Universiteit van Cambridge om de AI‑aangedreven prothetische ledemaat te ontwikkelen. Nu wil het team zijn inspanningen uitbreiden en meer geavanceerde robotica creëren, evenals de mogelijkheden van zijn AI‑model uitbreiden.

Bedrijven die van dit onderzoek kunnen profiteren

De robotica‑industrie groeit. Daarom kun je verwachten dat er de komende jaren meer eenheden op productielijnen verschijnen. Robots verminderen risico’s en kosten en verbeteren de kwaliteit. Daardoor willen steeds meer bedrijven ze integreren. Hier is één bedrijf dat ideaal gepositioneerd is om in de komende maanden het meeste uit dit onderzoek te halen.

Zebra Technologies

Zebra Technologies (ZBRA ) betrad de markt in 1969, oorspronkelijk als Data Specialties Incorporated. De oprichters van het bedrijf, Ed Kaplan en Gerhard Cless, wilden een software‑ en hardwarebedrijf oprichten dat de gebruikerservaring kon verbeteren en innovatieve oplossingen kon bieden. Ze slaagden erin meerdere technologieën te pionieren, waaronder als eerste bedrijf een barcode‑scanner aanbieden.

In 1986 hernoemde het bedrijf zich tot Zebra Technologies. Tegenwoordig is het een populaire leverancier van robotica, diensten en softwareoplossingen. Concreet kunnen de fetch100 Roller en Fetch100 Shelf door productievestigingen navigeren en tassen autonoom sorteren en afleveren. De robot wordt al wereldwijd gebruikt en heeft hoge beoordelingen ontvangen.

Zebra Technologies is een slimme toevoeging aan je portefeuille om verschillende redenen. Ten eerste groeit het bedrijf al lange tijd. Het kreeg een vermelding in het Forbes‑magazine van 2002 onder de “200 Best Small Companies in America” naast andere onderscheidingen.

Het aandeel van het bedrijf, ZBRA, heeft het afgelopen jaar een aanzienlijke en stabiele groei doorgemaakt. Het heeft een marktkapitalisatie van $19,808 miljard en een koers‑winstverhouding (TTM) van 51,82. Deze groei werd veroorzaakt door een combinatie van het uitbrengen van nieuwe producten en hun activiteiten op het gebied van robotica en AI‑systemen.

Keramiek in robotica

Het gebruik van high‑performance keramiek in robotica zal de markt in de toekomst veranderen. Deze studie toont aan dat robots zo kunnen worden ingericht dat ze op een manier voelen die vergelijkbaar is met mensen, waardoor ze met minder risico naast mensen kunnen werken en de productiviteit kunnen verhogen. Daarom moet je je voorbereiden op een robot‑collega in de toekomst.

Leer nu over andere coole robotprojecten nu.

Studieverwijzing:

^{1. Filippi, M., Balciunaite, A., Georgopoulou, A., Paniagua, P., Drescher, F., Nie, M., Takeuchi, S., Clemens, F., & Katzschmann, R. K. (2024). Sensor-embedded muscle for closed-loop controllable actuation in proprioceptive biohybrid robots. Advanced Intelligent Systems. https://doi.org/10.1002/aisy.202400413}