Forbedring av myke roboter med «Inkorporert energi» åpner nye muligheter

Robotikk er et raskt voksende marked, forventet å vokse fra $94.54 milliarder i 2024 til å overstige $372.59 milliarder innen 2034. 

Industrielle roboter leder for tiden denne veksten. I dag er mer enn 3.4 million industrielle roboter i arbeid for å gjøre livene våre enklere. Industribedrifter planlegger også å investere 25% av kapitalen sin i industriell automatisering de neste fem årene.

Etter hvert som robotikk får stadig mer oppmerksomhet, får også et delområde innen robotikk forskernes interesse. Etter hvert som etterspørselen etter roboter øker i applikasjoner utenfor industriell automatisering, får delområdet myk robotikk økende interesse.

Disse robotene etterligner bevegelsesmekanismene til myke og fleksible kropper som finnes i naturen, som slanger, jordormer, ål, blekkspruter og andre.

Myk robotikk tar inspirasjon fra de biologiske strukturene til disse myke kroppene for deres jevne og komplekse bevegelse. I stedet for å bruke harde, metalliske komponenter som tradisjonelle roboter, er myke roboter vanligvis laget av fleksible materialer som gel og gummi. Dette gjør dem i stand til å tilpasse seg komplekse miljøer og samhandle med mennesker på en sikker måte.

For deres aktivering brukes en rekke ulike metoder, som varmestimulering, elektriske signaler og lufttrykk, blant annet. Kildene til deres aktivering finnes vanligvis utenfor robotens kropp og styrer bevegelsene.

Disse robotene gir fordeler i form av tilpasningsevne og økt sikkerhet. Bruken av fleksible og lette materialer gjør spesielt disse maskinene egnet for direkte menneskelig interaksjon, da det reduserer risikoen for skade. Dette gjør dem svært nyttige i applikasjoner som helsevesen og bærbar teknologi.

Fleksible ledd og myke gripeverktøy gjør at disse robotene kan bøye, vri og strekke seg lett. Evnen til å utføre biologiske bevegelser gjør dem egnet for oppgaver som kanskje ikke er trygge for mennesker eller som krever høy grad av kontroll. Deres strukturelle fleksibilitet og fingerferdighet gjør dem også ideelle for håndtering av skjøre gjenstander og andre delikate oppgaver.

Men selvfølgelig møter myke roboter også utfordringer som begrenset styrke, lav presisjon, lav holdbarhet, vanskeligheter med produksjon og skalering, samt behovet for avanserte algoritmer og omfattende sensingsystemer.

Imidlertid, gitt at kapasiteten til myke roboter tett samsvarer med myke biologiske organismer, er de et lovende element i en rekke felt som helsevesen, landbruk, søk og redning, og romutforskning.

Flere lovende myke roboter har allerede blitt utviklet. For eksempel Harvards tentakelrobot, hvis geléaktige myke gripeverktøy kan forsiktig gripe skjøre gjenstander ved å etterligne mekanikken til krøllete hår.

Innen helsevesenet har K-FLEX fra Korea Advanced Institute of Science and Technology evnen til å utføre arrfri endoskopisk kirurgi, og MITs bioniske hjerte kan hjelpe medisinske fagfolk med å studere kardiovaskulære sykdommer og bestemme den beste behandlingsplanen for pasienter.

Myke roboter blir også brukt til å utforske havene. For noen år siden presenterte kinesiske forskere en selvforsynt myk robot som kan nå det dypeste punktet — Marianergropen. Når det gjelder romutforskning, kan NASA‑finansierte gravende myke roboter navigere i sandete terreng og kan en dag bli sendt for å utforske Jupiters måner.

Etter hvert som forskningen på myke roboter utvikler seg, kan de til og med forventes å erstatte stive roboter i ulike applikasjoner. 

Evolusjonen av myke robotarter

En ny studie fra Cornell Engineering har presentert en ubundet terrestrisk krypende robot med et integrert modulært kraftsystem gjennom hele sin myke kropp. 

Før de laget denne orm‑roboten, bygde laboratoriet en geléaktig robot i samarbeid med Archer Group ved Cornell Engineering. Begge er direkte etterkommere av en vannbasert myk robot som ble presentert for seks år siden. 

Så, tilbake i 2019, presenterte forskere ved Cornell University et paper¹ kalt “Electrolytic vascular systems for energy-dense robots.” Systemet, som etterlignet redoks‑flyt‑batterier, kombinerte funksjonene for hydraulisk kraftoverføring, aktivering og energilagring i ett design som økte robotens energitetthet og muliggjorde drift i opptil 36 timer. 

For dette tok forskerne inspirasjon fra en løvefisk, som bruker bølgende, vifte‑lignende finner for å gli gjennom korallrev.

På den tiden bemerket forskerne at «denne bruken av elektro‑kjemisk energilagring i hydrauliske væsker kan legge til rette for økt energitetthet, autonomi, effektivitet og multifunksjonalitet i fremtidige robotdesign».

For noen måneder siden ble et ny artikkel², “The multifunctional use of an aqueous battery for a high capacity jellyfish robot,” ble publisert. Denne gangen ble en RFB formet som en geléaktig robot, som gir en multifunksjonell bruk av energi. 

Geléaktige skapninger er for det meste laget av et stoff kalt «mesoglea», som fungerer som et indre skjelett. Dette materialet gjør kroppen elastisk og hjelper den med å gjenopprette formen etter at den deformeres på grunn av muskelkontraksjon. Mesoglea består av mikrofibriller som inneholder fibrillin, som geléaktige skapninger bruker til å drive musklene sine i tillegg til å tillate bevegelse og næringsopptak.

Robotene ble kun drevet av RFB-er med økt volumetrisk og areal energitetthet, noe som resulterte i en lang operasjonell levetid for UUV-er som hovedsakelig består av væske, som er elektro‑kjemisk energitetthet.

Nå har forskning³ utviklet seg videre, på samme måte som terrestrisk liv gjorde, drevet av batteriutvikling og design.

Ifølge Rob Shepherd, professor i mekanisk og romfartsingeniørfag, som ledet den forrige og dette nye prosjektet:

“Slik utviklet livet på land seg. Du starter med fisken, så får du en enkel organisme støttet av bakken. Ormen er en enkel organisme, men den har flere frihetsgrader.”

Den samme «robotblodet», dvs. den hydrauliske væsken som lagret energi og drev tidligere roboters applikasjoner, opprettholder også den nye robotarten. Denne gangen har forskerne imidlertid ytterligere forbedret designet for å oppnå større batterikapasitet og effekt­tetthet.

Geléaktige skapninger, bemerket Shepherd, har mye mer kapasitet i forhold til vekten. Dette økte den tiden robotfisken kunne reise, som var lengre enn den faktiske fisken. Nå er deres første over‑jord‑versjon ormen, som får oppdrift når den er under vann og ikke trenger et skjelett, noe som betyr at den ikke trenger å være stiv.

Klikk her for å lære om keramikk er nøkkelen til å utvide sansene i myk robotikk.

Inkorporert energi som driver myke roboter

Etter hvert som etterspørselen etter økt smidighet i robotikk vokser, vil også kompleksiteten øke. Dette betyr en økning i tettheten av sensorer og frihetsgrader (DoF), som er den uavhengige bevegelsen til et objekt.

Som et resultat vil strømforbruket til robotene sannsynligvis også øke, noe som gjør energikapasitet til en viktig faktor å ta i betraktning.

Dette er hvor inkorporert energi kommer inn i bildet. Det er en designstrategi som forbedrer systemnivået for energitetthet gjennom multifunksjonell bruk av innebygde strømkilder. Denne tilnærmingen inkluderer i hovedsak strømkilder i maskinens kropp, noe som reduserer kostnad og vekt.

Den modellære orm‑roboten bygget av Organic Robotics Lab og deres geléaktige robot demonstrerer begge fordelene med denne «inkorporerte energien». 

Ved å inkorporere energien lagret i batterier som en integrert del av robotens struktur og maskineri, har forskerne kunnet oppnå bedre resultater. Studien bemerket:

“Inkorporering av en strømkilde i motor‑drevne sene‑aktuator‑moduler gir en kunstig muskel‑enhet som kan settes sammen i roboter som er i stand til langvarig, nyttig arbeid.”

Begge robotene har en redoks‑flytbatteri (RFB), som er en type elektro‑kjemisk system som lagrer energi fra to kjemiske komponenter oppløst i væske. 

I tilfelle av den geléaktige roboten ble RFB bygget med en sene. Når senen trekkes, endrer den formen på klokken og skyver skapningen oppover, og den synker tilbake når klokken slapper av. 

Enda viktigere har geléaktige roboten et par redoks‑batterier: sinkiodid (ZnI2) og sinkbromid (ZnBr2). Brom ble tilsatt til jod i ett av batteriene for å forbedre ionetransporten, noe som økte batterikapasiteten og effekt­tettheten. Som et resultat var den geléaktige roboten raskere og mer smidig, med en operasjonell levetid på omtrent 90 minutter.

Nå, for å unngå problemet med dendrittoppbygging på batterienes elektriske substrater, som hindrer lading og utlading, benyttet forskerne grafen. Påføring av grafen gjorde det mulig å bedre tilpasse krystallplanene og oppnå en jevnere plating av sinken.

Orm‑roboten har et compartmentalisert design. Kroppen til ormen er en serie av sammenkoblede podder, hvor hver inneholder en motor og sene‑aktuator som gjør at ormen kan komprimere og utvide formen sin. Hver pod inneholder også en haug med anolyttposer nedsenket i en katolytt.

Et viktig element i designet var bruk av en tørr‑adhesjonsmetode for automatisk å binde Nafion‑separatorer til ormens silikon‑uretan‑kopolymerkropp. Separatoren holder anolyttene og katolyttene adskilt samtidig som den tillater ladning å bevege seg mellom dem, noe som driver elektroner gjennom motoren.

“Det finnes mange roboter som drives hydraulisk, og vi er de første som bruker hydraulisk væske som batteri, noe som reduserer robotens totale vekt, fordi batteriet har to formål: å levere energi til systemet og å gi kraften som får den til å bevege seg. Så kan du ha ting som en orm, hvor nesten all energi, så den kan reise lange avstander.”

– Shepherd

Ved testing av orm‑roboten fant forskerne at den kan krype langs bakken så vel som bevege seg opp og ned i et vertikalt rør. Selv om robotormen kan navigere en innelukket, buet sti og klatre opp og ned, er den ganske treg, men fortsatt raskere enn andre hydraulisk drevne orm‑roboter. På en enkelt lading tar ormen 35 timer å bevege seg 105 meter.

Ifølge forskerne kan ormen finne sin anvendelse i utforskning av begrensede miljøer som lange og trange passasjer, og muligens utføre reparasjoner. Når det gjelder geléaktige roboten, kan den brukes i havutforskning. 

Støttet av Office of Naval Research og Basic Energy Sciences Program i Department of Energy, er denne forskningen bare begynnelsen, ettersom fokuset i deres fremtidige arbeid vil være på en fullstendig flytende RFB. Studien bemerket at polysulfid‑iodid‑batteriet, med sin høye energitetthet og lave kostnad, spesielt viser lovende potensial for applikasjoner innen myk robotikk.

Til slutt har teamet som mål å bygge høy‑kapasitets‑inkorporerte energiroboter. Disse fremtidige robotene vil også ha skjeletter og kan til og med gå, noe som resulterer i roboter som ligner mennesker.

“Et ufullkomment organisme. Men fortsatt gjør det ganske bra.”

– Shepherd

Relevante selskaper

La oss nå se på et par børsnoterte selskaper som bidrar til å fremme robotikkfeltet. 

1. iRobot Corporation

Et globalt forbruker‑robotikkselskap, iRobot er involvert i design, bygging og salg av holdbare roboter. Produktene deres inkluderer Roomba, Braava og Root. iRobot har solgt titalls millioner av sine roboter verden over.

Med en markedsverdi på $231 million handles iRobot‑aksjene for øyeblikket til $7.59, ned 2.45% år‑til‑dato. EPS (TTM) er -4.60, mens P/E (TTM)-forholdet er -1.64.

Nylig rapporterte selskapet foreløpige finansielle resultater for fjerde kvartal 2024, hvor de forventer en inntekt på $171 million og et GAAP driftsunderskudd på $59 million. De forventer også at kontanter og kontantekvivalenter ved slutten av regnskapsåret 2024 vil være omtrent $134 million.

Resultatene, sa administrerende direktør Gary Cohen, «reflekterer høyere enn forventet sesongbasert kampanjekostnad for å stimulere salg før våre produktlanseringer i 2025». Han delte også at iRobot har «fundamentalt endret måten vi innoverer, utvikler og bygger våre robots,» og at de planlagte produktlanseringene «som er designet for å begeistre forbrukerne med funksjonsrike roboter og forbedre forbrukeropplevelsen» er på vei til å bli lansert i år.

2. Teradyne

En global leverandør av automatisert testutstyr og robotløsninger, Teradyne opererer gjennom fire segmenter med fokus på halvledere, trådløse produkter, systemer for lagring, romfart og kretskort, samt robotikk, som omfatter robotarmer, autonome mobile roboter og avansert robotkontrollprogramvare.

Selskapet har distribuert mer enn 80 000 avanserte robotsystemer verden over og har investert over $700 million i avansert robotikk og automatisering. Teradynes MiR‑roboter effektiviserer intern transport og materialhåndtering, mens deres coboter støtter et bredt spekter av applikasjoner. Automatiseringsløsningene deres gjør det mulig for bedrifter å forbedre operasjonell effektivitet ved å integrere maskinenes kraft.

Med en markedsverdi på $18.74 milliarder handles Teradyne‑aksjene for øyeblikket til $116, ned 8.61% år‑til‑dato. EPS (TTM) er 3.32, mens P/E (TTM)-forholdet er 34.68. Selskapet betaler en utbytteavkastning på 0.42%.

For fjerde kvartal 2024 rapporterte selskapet en inntekt på $753 million, hvorav $98 million kom fra robotikk, mens resten kom fra halvledersegmentet. Deres GAAP nettoresultat for kvartalet var $146.3 million eller $0.90 per utvannet aksje.

Administrerende direktør Greg Smith tilskrev denne veksten til kraftig AI‑beregning og relatert minne, mens Mobile og Auto/Industrial overgikk forventningene. Inntektsakselerasjon forventes for dette året, med Teradyne som planlegger å strategisk omstrukturere sin robotikkvirksomhet for å forbedre kundeopplevelsen og drive operasjonell effektivitet.

3. Zimmer Biomet

Et globalt medisinsk teknologiselskap, Zimmer Biomet (ZBH ) er involvert i biologika, idrettsmedisin, ekstremiteter, traumeprodukter, kirurgiske produkter, og en rekke robotteknologier som bruker data, dataanalyse og AI. 

Med en markedsverdi på $22 milliarder handles Zimmer Biomet‑aksjene for øyeblikket til $110.10, opp 4.72% år‑til‑dato. EPS (TTM) er 5.25, mens P/E (TTM)-forholdet er 21.07. Selskapet betaler en utbytteavkastning på 0.87%.

For Q3 2024 rapporterte selskapet nettoomsetning på $1.824 milliarder, en økning på 4 % sammenlignet med samme periode året før, mens nettoresultatet var $249.1 millioner. Utvannede resultat per aksje for kvartalet var $1.23, mens justert utvannet resultat per aksje var $1.74. Etter denne «sterke prestasjonen» sa administrerende direktør Ivan Tornos at de vil fortsette å fremme sin «misjon om å hjelpe millioner av mennesker med å lindre smerte og forbedre deres livskvalitet».

I løpet av denne perioden kjøpte selskapet OrthoGrid Systems, et medisinsk teknologiselskap fokusert på AI‑drevet kirurgisk veiledningssystem for total hofteutskiftning. Det er nå også i ferd med å kjøpe Paragon 28 , et medisinsk enhetsselskap, i en avtale på $1.1 milliarder for behandling av fot- og ankelsykdommer.

Konklusjon

Etter hvert som etterspørselen etter automatisering og effektivitet øker, gjør også populariteten til robotikk det. Mot denne sterke vekstbakgrunnen ser delområdet myk robotikk mye innovasjon, som åpner nye anvendelser innen helsevesen, utforskning og industriell automatisering. 

Evolusjonen av myk robotikk — som kombinerer tilpasningsevne inspirert av levende organismer med inkorporert energi — har potensialet til endelig å overvinne de langvarige begrensningene i holdbarhet og energieffektivitet. Etter hvert som forskere, støttet av offentlige initiativer, fortsetter å finjustere robotdesign og multifunksjonelle strømkilder, blir disse maskinene stadig mer virkelige, og forbedrer tilgjengelighet, effektivitet og sikkerhet.

Klikk her for å lære hvordan myk robotikk vil dra nytte av skum‑fluidikk.