Manipulering av hydrogel kan øke smidigheten og allsidigheten til moderne robotikk

A new studie publisert i det vitenskapelige tidsskriftet Physical Review Letters, avslører et «mikroskopisk fenomen» som gjør at hydrogel kan trekke seg sammen raskere. Oppdagelsen, kalt Continuum Poroelastic Theory, kan ha store implikasjoner for mange industrier, inkludert myk robotikk. Den kan holde nøkkelen til å gjøre disse enhetene lettere og mer smidige. Her er det du trenger å vite.

Hydrogel

Hydrogel er et fleksibelt, vanninnsulabelt materiale sammensatt av tette polymerkjeder. Disse kjedene kan absorbere væsker og beholde dem effektivt. I denne tilstanden består hydrogel hovedsakelig av vann. Hydrogel kan deretter frigjøre de lagrede væskene og trekke seg sammen under stimuli. Denne stimulusen kan være kjemisk, som endringer i pH, eller atmosfærisk, som temperatur- eller feltendringer.

Hydrogel har myke, fleksible egenskaper og kan finnes i hårgel, tannkrem, kosmetikk og andre vannrike løsninger. Det brukes også ofte i helsevesenet for sårforbinding, brannskadebehandling og mer. For roboter kan det fungere som en pålitelig erstatning for tyngre alternativer som plast.

Hydrogel oppgraderer ikke‑kompatible roboter

Non‑compliant, eller myke roboter, er laget av ulike bøyelige materialer, som gjør at de kan utføre unike oppgaver. Disse spesialbygde enhetene kan passe inn i trange rom, navigere komplekse ruiner, og til og med hjelpe med medikamentlevering. Ifølge forskerne kan hydrogel erstatte gummi og hydrauliske komponenter i myke roboter i fremtiden.
Myke roboter har en stor fordel over sine stive motparter når man diskuterer visse anvendelser. For det første kan de tilpasse seg og fordele trykket over et større område, noe som gir dem en mykere berøring. Når disse fordelene kombineres med evnen til å tilpasse seg nesten ethvert miljø, blir myke roboter den primære løsningen for spesifikke oppgaver.

Nåværende systemer

Hydraulikk- og pneumatiske systemer dominerer for tiden robotikkindustrien. De er pålitelige og har eksistert i flere tiår i mange former. Imidlertid er det betydelige ulemper med disse systemene, spesielt når man snakker om miniaturisert og ikke‑kompatibel robotikk.

For eksempel må ikke‑kompatible roboter som er avhengige av disse systemene for å endre form, integrere slanger, rør og pumper. Disse komponentene kan være nesten umulige å lage på mikroskopisk nivå. Selv når de skaleres opp, legger hver pumpe og slange til vekt på disse små enhetene. Vekt reduserer robotens batterilevetid, reiseevne og mer. Derfor kan forskernes hydrogel‑oppdagelse hjelpe roboter med å operere med mer allsidighet samtidig som vekten optimaliseres og nye bruksområder muliggjøres.

De tror gjennombruddet deres kan skyte ikke‑kompatibel robotikk inn i fremtiden, og gi mer effektivitet og smidighet samtidig som vekten reduseres. Hydrogel kan erstatte gummi av flere grunner. Hovedfordelene er at de er lettere og eliminerer behovet for hydrauliske eller pneumatiske systemer. Dermed blir myke roboter mindre komplekse å bygge.

Mikroskopisk fenomen

Forskerne beskriver oppdagelsen av et mikroskopisk fenomen som ble lært mens de undersøkte ekspansjon og kontraksjon av hydrogel under ulike forhold. «Continuum Poroelastic Theory» introduserer en hydrogel‑sentral løsning som oppfyller alle kravene for mikrorobotikk. Den er lett, pålitelig, kontrollerbar og enklere å lage enn nåværende alternativer.

Detaljer om hydrogel‑forskning

Forskerne begynte med å lage et tynt lag med hydrogel‑film. Dette porøse laget tillot vann og ioner å passere fritt under visse forhold. Den første avviket som ble observert var at en prosess kjent som gel‑diffusiofosese forårsaker en plutselig økning i gelens osmotiske trykk. Diffusiofosese‑prosessen fikk hydrogel til å svulme umiddelbart når ioner ble introdusert.
Merkbart krymper hydrogel til sin opprinnelige størrelse etter at væsken er fjernet. De ion‑infunderte hydrogelene ekspanderte og kontrakterte hundrevis av ganger raskere enn de opprinnelige metodene. I tillegg viste dataene at den diffusiofosese‑svulmemetoden var langt mer effektiv.

Økt smidighet

Forskerne er begeistret fordi oppdagelsen kan bidra til å gjøre myke roboter mer smidige. For eksempel har det vært et mål å lage en robotisk hånd med samme fingerferdighet og smidighet som menneskelige hender. Teamet tror at denne oppdagelsen kan være et viktig steg mot å gjøre dette mulig. Hvis det lykkes, vil myke roboter overta mange flere oppgaver knyttet til menneskelig kontakt i de kommende årene.

Større roboter

En annen viktig oppdagelse er at hydrogel kan brukes til å lage større myke roboter. For tiden er de fleste myke roboter begrenset til mikroskopiske størrelser. Den ekstra kraften og reduserte vekten som hydrogel gir, gjør at disse enhetene kan skaleres opp til så store som en centimeter. Merk at det er vanlig at små roboter arbeider i sværmer for å forbedre effektiviteten.

Virkelige anvendelser for hydrogel‑myke roboter

Det finnes mange virkelige anvendelser for myke roboter. I dag kan disse enhetene finnes i frukthøsting, lager sortering, og i fremtiden i helserelaterte oppgaver. Her er hovedsektorene som myk robotikk fortsetter å påvirke.

Produksjon

Den mest fremtredende industrien for integrering av myke roboter er produksjon. Her kan du finne håndlignende enheter brukt på transportbånd. Disse enhetene kan plukke opp delikate gjenstander og plassere dem i emballasje eller sortere dem i spesifikke kategorier. I fremtiden vil disse robotene kunne «føle» hva de plukker opp ved hjelp av avanserte sensorer og AI.

Søk og redning

Myke roboter kan spille en viktig rolle i å finne overlevende etter naturkatastrofer. Det er vanlig å lære at rusk hindret redningsarbeidet og førte til flere dødsfall etter store katastrofer. Ikke‑kompatible roboter kan snike seg gjennom katastrofeområder og bruke avanserte sensorer for å lokalisere overlevende raskere. Disse robotene kan hjelpe overlevende med å kommunisere og til og med levere livreddende forsyninger når det trengs.

Utforskning

Ikke‑kompatible roboter kan også gjøre utforskning mer effektiv. Roboter er fremtiden for dypromfart og havutforskning. De kan gå dypere, reise lengre og levere mer verdifulle data enn menneskelige passasjerer. Myke roboter, spesielt, kan få tilgang til aldri‑før‑sett lokasjoner som havdyp fordi de kan tilpasse seg trykket og dermed muliggjøre videre forskningsinnsats i nye vitenskapelige felt.

Helsevesen

Det finnes mange helserelaterte anvendelser for myke roboter. Disse enhetene kan hjelpe med å levere medisiner, bekjempe sykdom, rense vann og mye mer. Feltet bio‑robotikk fortsetter å skape innovative hybride maskiner som bruker levende vev som en del av sine kjernekomponenter. Disse enhetene kan en dag forbedre livet til millioner ved å lage proteser som er usynlige for brukeren og mange andre livsforbedrende oppgraderinger.

Ledende robotikkbedrifter

Robotikkindustrien er et hurtiggående marked som tidligere ble dominert av kun noen få nøkkelspillere, som Boston Dynamics. I dag er det langt mer utvalg, ettersom markedet nå inkluderer en rekke felt. Her er noen robotikkfirmaer som kan utnytte hydrogel for å forbedre sine produkter.

1. Intuitive Surgical

(ISRG )

Intuitive Surgical er en pioner innen robotikk i helsevesenet. Dette unike firmaet har en rekke produkter og tjenester som gjør det fremtredende, inkludert kirurgiske assistenter, Da Vinci og Ion. Disse høyteknologiske løsningene bidrar til minimalt invasive operasjoner. Merk at den nyeste Da Vinci‑oppgraderingen gjør at kirurger kan føle innsnitt via tilbakemelding og mer.
Intuitive Surgical er et sterkt tilskudd til enhver portefølje. Det amerikanske firmaet er en del av NASDAQ‑100 og S&P 500. I tillegg er deres tjenester i høy etterspørsel. Spesielt oppgir selskapet at over +8 600 Da Vinci‑systemer er distribuert internasjonalt. Dermed har Intuitive Surgical opparbeidet seg et rykte som en global teknologileder innen robotikkfeltet.

2. UiPath

(PATH )

UiPath er et programvareselskap for robotisk prosessautomatisering (RPA). Selskapet lager programmer som gjør at roboter kan lære repetitive oppgaver og deretter overta dem fra menneskelige kolleger. Det ble grunnlagt i Romania og flyttet til New York etter hvert som det vokste til en stor markedskonkurrent. I dag er det den ledende RPA‑programvareleverandøren i verden.
UiPath ble markedsleder på grunn av sin konsistens og ytelse. Selskapet har gjentatte ganger bevist at deres tjenester kan hjelpe med å strømlinjeforme bedriftsaktiviteter for flere høynivå‑kunder, inkludert Canon, EY, VITAL og TQL. I tillegg har selskapet flere funksjoner i Forbes. Alle disse faktorene gjør UiPath til en aksje verdt å følge.

Problemer med myke roboter

Myke roboter har noen problemer som må overvinnes for å oppnå storskala adopsjon. For det første har de ikke den robuste holdbarheten eller ytelsen til sine solide motparter. Det er også noen bekymringer når man diskuterer kontroll av roboter med uendelige frihetsgrader. Modellering av disse enhetenes bevegelser krever mye innovasjon og tid. Selskaper som UiPath vil helt sikkert spille en stadig viktigere rolle i utviklingen av kontrollsystemer for myke roboter i fremtiden.

Forskere

Studien ble utført av et forskerteam ledet av fysikeren C. Nadir Kaplan fra Virginia Tech og doktorgradsstudenten Chinmay Katke. Merk at paret ble assistert av professor C. Nadir Kaplan og Peter A. Korevaar fra Radboud University i Nederland.

Hydrogel kan gjøre myke roboter mer nyttige

Teamet bak hydrogel‑oppdagelsen kan ha låst opp nøkkelen til å gjøre myke roboter mer nyttige. Hydrogel kan erstatte gummi, hydraulikk, aktuatorer og andre tyngre, mer komplekse alternativer. Av disse grunner kan denne forskningen betraktes som et stort gjennombrudd som er verdt å følge i fremtiden.

Lær om andre kule robotikkprosjekter nå.