3D-utskrift kan gjøre robotikk tryggere gjennom biomimetikk

En studie publisert i Advanced Intelligent Systems denne måneden introduserer en ny type robotaktuator som bruker biomimetikk for å skape bevegelse lik den i musklene dine. Disse myke aktuatorene gjør det mulig for ingeniører å lage fleksible enheter som kan utføre unike oppgaver som å bøye eller forme om former. Her er det du trenger å vite.

Myk robotikk

Soft eller ‘ikke-kompliant’ roboter er et voksende felt med ubegrenset potensial. Disse enhetene kan skifte og brette seg for å passe inn i trange sprekker, rundt hjørner, og i andre situasjoner der en stiv enhet ville mislyktes. Som følge av dette er markedet for myk robotikk i vekst, med analytikere som forutsier en CAGR på 55,4 % frem til 2029.

Problemer med tradisjonelle aktuatorer

En faktor som fortsatt begrenser veksten i myk robotikk-sektoren er det nåværende utvalget av aktuatorer. Hver aktuator gir en ny bevegelsesvektor for enheten. Imidlertid skaper disse enhetene harde punkter i de ikke-kompliant robotstrukturene. Disse harde punktene hindrer ekte bevegelsesfrihet.

I tillegg kreves en ekstra aktuator for hvert bevegelsesområde. Dermed kan de øke vekten og kostnaden for disse enhetene. Tyngre roboter bruker mer energi, noe som gjør dem mindre nyttige, effektive og produktive.

Bruke biomimetikk for å lage en bedre aktuator

Studien study går i dybden på en ny type myk aktuator som ligner menneskelige muskler ved at den strekkes og trekker seg sammen samtidig. Denne kombinasjonen skaper mer kraft og gjør at kroppen kan overføre den kraften mer effektivt. Inntil nå har robotingeniører hovedsakelig fokusert på aktuatorer som kunne utvide og trekke seg sammen, med liten bekymring for deres stivhet under prosessen.

Kilde – Advanced Intelligent Systems

Forskere

Forskere fra Northwestern og McCormick School of Engineering samlet seg for å utforske mulighetene med en ny type biomimetisk aktuator. Studien ble ledet av Taekyoung Kim. Han fikk hjelp fra Pranav Karthik, Ryan Truby og juniorprofessor i materialvitenskap og ingeniørfag samt maskinteknikk ved McCormick School of Engineering, Donald Brewer. Sammen skapte dette innovative teamet en ny produksjonsprosess og fungerende prototyper og gjennomførte grundig forskning på deres nye biomimetiske aktuator.

En ny stil av aktuator

Det første steget teamet tok var å 3D-printe kroppen til enheten deres. Forskerne måtte finne en struktur som kunne bøye og vri seg, men fortsatt tåle trykk når det var nødvendig. Spesielt har designet bellower som automatisk deformeres gjennom torsjonsbuckling ved økende dreiemoment. Denne manøveren skaper en spiralform som kan overføre torsjonsbelastning effektivt.

Bedre materiale for jobben

De innså tidlig at de vanlige 3D-printaktuatormaterialene ikke ville være fleksible nok til å fullføre oppgaven. Etter mye overveielse ble det besluttet å bruke termoplastisk polyuretan til enheten deres. Dette materialet finnes i mange ting du bruker hver dag. Det er det gummilignende materialet som mobiltelefondekslet ditt og andre eiendeler bruker for å holde seg beskyttet. Merk at dette materialet er strekkbart og kan håndtere torsjonsmoment om nødvendig.

Enkel motor

En av de største endringene i tradisjonelle aktuatorer som forskerne gjorde, var å fjerne behovet for flere motorer. Enheten deres kunne danne en mengde former og bevege seg i flere retninger ved bare å dreie den ene motoren, noe som får enheten til å utvide og trekke seg sammen.

Unike bevegelser

Enkel-motor-designet gir disse robotene maksimal fleksibilitet. Den kan utvide og vri seg for å møte miljøets og målenes behov. I tillegg reduserer enkel-motor-designet kostnader og kan forenkle designet av fremtidige enheter.

Robotkrabber

Den første enheten teamet laget var en 26 cm lang robotkrabber. Denne enheten kan utvide og bøye seg avhengig av dreiemomentet som påføres av servomotoren. Robotten kan bevege seg som en orm ved å skape en trekkbevegelse som gjør den i stand til å navigere gjennom komplekse omgivelser med 32 cm per minutt.

Teamet testet krabberen i en offentlig video. Enheten kan sees mens den beveger seg gjennom et komplekst rør som krever at robotten gjør stramme svinger for å navigere til frihet. Enheten klarte lett å traversere de trange, svingete kurvene med suksess.

Resultatene fra krabbertesten var positive. Robotten er i stand til 45 % forlengelse, noe som gjør den lang og tynn når det trengs. I tillegg bemerket teamet at enheten har en maksimal blokkert skyvekraft på omtrent 8 N.

Kunstig biceps

Den neste prototypen teamet demonstrerte var en robotisk biceps. Denne enheten integrerte en 6‑akset lastcelle, lineær guide og en enkelt servo for å generere dreiemoment og bevegelse lik en menneskelig biceps.

Enheten er laget av samme gummimateriale som den myke akselen. Dette designet gir ikke‑lineære, viskoelastiske responser. Disse handlingene resulterer i en hysterese kraft‑forskyvningsrespons, som gjør at enheten kan krølle gjenstander som en menneskelig arm.

Ingenørene testet deres robotiske biceps for å se dens kapasitet. Enheten løftet vellykket en 500 g vekt 5 000 ganger uten feil. Disse resultatene demonstrerer gjentakbarheten og effektiviteten til den nye tilnærmingen til robotbevegelser.

Test

Testfasen ga verdifull tilbakemelding til forskerne som vil søke å forbedre sine fremtidige design ved hjelp av disse dataene. Ingenørene var ivrige etter å samle viktig informasjon inkludert aktuatorens dreiemoment, skyve‑ og trekktrykk, strekkstyrke, og andre viktige belastningstester som kan hjelpe med å fastslå maksimal kapasitet for den nye oppsettet.

Fordeler

Forskernes studie kan ha betydelige effekter på markedet. Feltet for myk robotikk fortsetter å vokse, og etter hvert som flere av disse enhetene går i produksjon, blir fordelene stadig tydeligere. Her er bare noen få måter denne forskningen kan bidra til å drive markedet for myk robotikk fremover.

Gjør roboter tryggere

En av hovedgrunnene til at det er et press for å lage myke roboter, er at de er mye tryggere å jobbe rundt. Jo flere produsenter integrerer robotikk i arbeidsstyrken, jo vanligere vil det bli at mennesker og roboter jobber side om side. Myke roboter er en langt bedre arbeidskamerat i de fleste scenarier av mange grunner.

For det første er de mindre sannsynlig å forårsake skade på deg hvis du støter inn i dem. Å løpe inn i et metallrør er smertefullt nok. Smerten kan forverres hvis den metalliske enheten beveger seg og treffer deg. Myke roboter vil bidra til å eliminere mindre skader på grunn av milde støt og kollisjoner.

Myke roboter kan arbeide i miljøer der tradisjonelle roboter ville bli ansett som for farlige å bruke. For eksempel kan de hjelpe med å oppdra husdyr i fremtiden. Foreløpig er disse enhetene bedre egnet for menneskesentrerte miljøer sammenlignet med tradisjonelle harde roboter.

Lav kostnad

En av de største fordelene med studien er besparelsene. Å lage robotservere og harde roboter er en kostbar oppgave som i flere tiår har begrenset det til hovedsakelig store, høyteknologiske produsenter. Nylige gjennombrudd har bidratt til å jevne ut konkurranseforholdene for mindre virksomheter.
Denne siste utviklingen senker kostnadene ytterligere. Ifølge forskernes dokumentasjon kostet robotprototypene de brukte kun $3 i materialer, ekskludert servomotoren. Dette rimelige alternativet åpner døren for mer integrasjon, da det finnes mange oppgaver som roboter kunne utføre, men kostnadsbegrensninger har hittil begrenset bruken. Snart kan lavkostnads myk robotikk finnes og hjelpe i hverdagen din.

Bruk vanlige 3D-printere.

Et annet gjennombrudd var introduksjonen av en 3D-printer‑vennlig biomimetisk aktuator. Muligheten til å fremstille disse enhetene med en standard 3D‑printer betyr at hvem som helst kan integrere forskernes studieresultater og lage nye og innovative myke robotdesign.

Integrert

Forskerne er stolte over at deres nye aktuator kan integreres sømløst i dagens robotdesign. Dette steget vil bidra til å drive adopsjon og strømlinjeforme innovasjon. Det hjelper også utviklere med å få umiddelbar tilbakemelding på forskningen deres etter hvert som flere ingeniører utnytter strategien deres.

Nåværende markedsledere

Markedet for myk robotikk har sterk konkurranse blant de ledende aktørene. En nylig studie fant at kun fem toppprodusenter kontrollerer 40 % av markedet for myk robotikk. Den samme studien viste at Nord‑America leder i adopsjon. Noen av de ledende produsentene inkluderer Parker Hannifin, SRT, Myomo, Bionik Laboratories og Panasonic.

1. Cyberdyne

Cyberdyne er et cybernetikk‑teknologiselskap som søker å kombinere AI, robotikk og informasjonssystemer for å skape et nytt nivå av effektivitet og kapasiteter. Selskapet er en pioner i cybernetikkmarkedet og er anerkjent som en av de ledende forskerne og produsentene av myke robotenheter.

Cyberdyne har opplevd imponerende vekst. Selskapet så inntektene øke med +52 % fra ¥2,15 milliarder til ¥3,29 milliarder i ett år. En stor del av denne veksten kan tilskrives vellykkede satsinger innen medisinsk utstyr.

2. Soft Robotics

Soft Robotics er en annen stor aktør i sektoren. Dette selskapet spesialiserer seg på automatisert produksjon og landbruksoppgaver. Enhetene deres integrerer avanserte visuelle inspeksjonsløsninger og AI‑algoritmer for å sikre at enheten kan plukke, sortere og identifisere gjenstander med presisjon.

Soft Robotics introduserer en myk gripehånd som utnytter 3D‑vision og AI for å utføre komplekse oppgaver som tidligere kun var mulig med mennesker. Disse enhetene gir bønder høyhastighets plukking, sortering og pakkeevner. Merk at Soft Robotics er et godt eksempel på hvordan myke roboter kan forbedre produktiviteten.

3. Ekso Bionics Holdings

EKSO Prisdiagram

Ekso Bionics (EKSO ) Holdings er en global leder innen eksoskjelett‑teknologi. Selskapets teknologi tjener flere roller innen både helsevesen og industri. De tilbyr for tiden en rekke eksoskjeletter som brukes spesifikt til rehabilitering, terapi og for å hjelpe personer med mobilitetsproblemer å komme seg.

Ekso tilbyr både eksoskjeletter for overkropp og underkropp. Disse enhetene gjør det mulig for brukeren å bevege seg lenger, løfte mer og håndtere større belastning uten tretthet. Selskapets posisjonering og banebrytende produkter har hjulpet dem med å sikre enorme inntektsøkninger siden 2022.

Selskaper som kan ha nytte av den biomimetiske aktuatoren

Mange firmaer kan bruke forskernes studie og forbedre sine nåværende tilbud. Disse selskapene er allerede aktive i markedet og tilbyr produkter som kan få forbedring fra denne teknologien i form av større effektivitet, lavere kostnader eller bedre produkter.

ReWalk Robotics

ReWalk er en leverandør av bioniske gangsystemer. Selskapet har hjulpet tusenvis av mennesker med å gjenvinne mobiliteten takket være sin innovative tilnærming og fokus. ReWalk Robotics (RWLK ) søker å hjelpe paraplegikere med å gjenvinne kontrollen over livet sitt ved hjelp av sine unike produkter.

ReWalks bioniske gangassistent har servo‑drevne benseler, et ryggsekkbatteri og en håndleddmontert fjernkontroll. Denne enheten kan settes opp til å bevege seg ved kommando eller automatisk oppdage bevegelse. I denne modusen kan systemet forbedre brukerens handlinger med minimal innsats.

Rewalk Robotics har en konsensusvurdering av “kjøp” på grunn av sin posisjon i markedet. Selskapet fortsetter å presse grensene med sine unike design og produkter. Introduksjonen av ytterligere teknologi, som AI og biomimetiske aktuatorer, kan i stor grad redusere kostnadene for enhetene deres i fremtiden.

RightHand Robotics

RightHand Robotics er en annen produsent av myke roboter. Selskapet holder til i Boston og tilbyr et utvalg av produkter som er designet for å tilby effektive plukkeløsninger til markedet. Selskapet ønsker å styrke forhandlere til å drive strømlinjeformet netthandel med hjelp av deres robot‑sorteringsalternativer.
Merk at RightHand Robotics har mottatt flere utmerkelser for sine innsats. Selskapet ble oppført som Robotics Company of the Year ved New England Venture Capital Association (NEVY) Awards for sitt arbeid i feltet.

Biomimetikk vil gjøre livet enklere for alle.

I fremtiden vil roboter ha mange flere roller. Myke roboter vil bidra til å fremme denne integrasjonen ettersom disse enhetene er bedre egnet til å arbeide sammen med mennesker enn tradisjonelle enheter. Foreløpig kan forskningen utført av disse ingeniørene bidra til å gjøre roboter fra sjeldne til svært rimelige alternativer som alle kan kjøpe. Derfor er det klokt å følge med på disse utviklingene etter hvert som de utfolder seg.
Learn about other cool projects nå