Semi‑autonome myke roboter på vei til å redde liv

Når du tenker på roboter, forestiller du deg sannsynligvis en stiv maskin som kan utføre oppgaver eller hjelpe deg i dine bestrebelser. Imidlertid er en annen robotklasse i ferd med å vekke oppsikt og bringe innovasjon – myke roboter. Disse unike enhetene kan endre form og handlinger for å møte mange oppgaver. Her er det du trenger å vite.

Hva er myke roboter og hvorfor er de spillendrere?

Den myke robotikksektoren er et spennende marked som fortsetter å se massive oppgraderinger og innovasjon. Mange ser disse enhetene som nøkkelen til katastrofehjelpsinnsatser. Disse enhetenes myke og justerbare natur gjør at de kan presse seg gjennom små hull og rør når det trengs, slik at roboten kan nå de vanskeligste stedene som ellers ville vært umulige å oppnå med tradisjonelle alternativer.

Myke roboter er bygget av fleksible materialer som gjør at de kan endre og bøye strukturen etter behov. Disse enhetene kommer i mange former, med noen designet for å krype gjennom rør som en slange, mens andre kan foldes eller rulles til en ball, og gir overlegen tilgang når situasjonen krever det.

Nøkkelutfordringer som holder tilbake utviklingen av myke roboter

Myke roboter er ikke perfekte. Deres iboende design og materialer gjør at det å lage disse enhetene er en balanse mellom ytelse og å plassere komponenter i områder hvor de ikke hindrer fleksibiliteten. Tidligere begrenset ingeniører elektronikken som ble brukt for å redusere stivheten i deres myke robotikk‑elektronikk.

Reduksjon av de integrerte sensorene som finnes i disse systemene hjelper med å eliminere stive kretskort og servomotorer, men det betyr også at disse enhetene vanligvis er begrenset til enveiskommunikasjonssystemer. Disse systemene er hvordan piloten ville navigere roboten gjennom det røffe terrenget.

Ved å erkjenne begrensningene i denne tilnærmingen har et team av kreative ingeniører fra flere ledende forskningsinstitusjoner foreslått et forbedret mykt robotdesign som reduserer stivhet og øker ytelsen på tvers av brettet.

Banebrytende studie avdekker smartere, fleksible myke roboter

Trådløs, multifunksjonell systemintegrert programmerbar myk robot¹ studien publisert i Nano‑Micro Letters introduserer et nytt mykt robotkonsept som er mer kapabelt og rimeligere enn tidligere alternativer. Som en del av robotens oppgraderte evner introduserte teamet en rekke sensorer som gjør at enheten kan ta semi‑autonome beslutninger basert på sin nåværende situasjon og omgivelser.

Kilde – Jennifer M. McCann

Inne i designet av neste generasjons myke roboter

Som en del av det nye myke robotdesignet begynte teamet med å gjenskape myk robotlayout fra bunnen av. De innså at de måtte lage enheten på en måte som tillot den å oppnå flere former og bevegelser med minimal energiforbruk. For å oppnå dette integrerte de magnetisk responsive myke komposittmatriser med deformerbare multifunksjonelle elektronikker.

Hvordan ingeniører bevarer fleksibilitet i avanserte myke roboter

Å holde myke roboter fleksible er et stort problem for designere og ingeniører alike. Hver gang du legger til en ny chip, sensor, batteri eller servo, begrenser du fleksibiliteten til den delen av roboten betydelig. Følgelig har mer kapable myke roboter vanligvis mindre fleksibilitet ettersom deres kjernekomponenter ikke kan bøye seg uten å svikte.

Teamet brukte mye tid på å diskutere den ideelle trådløse kretsen, sensorene og enhetene. Derfra var det opp til ingeniørene å bestemme den beste plasseringen for disse enhetene som ville påvirke bevegelsen. Til slutt ble en spesifikk layout avtalt som plasserte elektronikken på en måte som tillot roboten å justere seg fullt ut og til og med krølle seg til en ball når det var nødvendig.

Magnetisk kontrollert bevegelse: Hvordan disse myke robotene beveger seg

Ingeniørene måtte deretter finne ut hvordan de kunne gi roboten evnen til å endre form. For dette trinnet vendte de seg mot flere magnetiske forbindelser. Spesielt blir de magnetiske forbindelsene forberedt ved å blande de syntetiserte WcMPs med en silikoneelastomer og en herdeagent.

Deretter ble en laser brukt til å mønstre de magnetiske myke komposittene før varme ble påført. Neste steg krevde at ingeniørene programmerte et eksternt magnetfelt (200 mT) for å rotere og justere retningen til de innebygde magnetpartiklene. Til slutt ble de nyopprettede magnetene tillatt å kjøle ned.

Disse spesialbygde magnetene ble designet for å gjennomgå faseovergang ved lav temperatur, slik at ingeniører kan skifte magnetisk polaritet på sekunder. Ved å justere feltets styrke og retning kan teamet få roboten til å utføre bestemte oppgaver og former. De bemerker at de kunne få enheten til å bøye, vri og krype ved hjelp av denne metoden.

Styring av myke roboter med presisjon ved bruk av magnetfelt

Laben skapte et magnetisk materiale som ble innebygd i enhetens fleksible struktur. Denne handlingen gjorde det mulig for ingeniører å kontrollere enheten ved å bruke magnetfelt. Ingeniører påførte feltet via håndholdte magneter og elektromagnetiske feltgeneratorer.

Spesielt ble en kommersiell permanent NdFeB-magnet og en tilpasset sylinder‑elektromagnet valgt som den beste måten å påføre et eksternt magnetfelt på. Disse enhetene genererer nok kraft til å bevege den magnetiske myke roboten.

Integrerte sensorer som gjør myke roboter semi‑autonome

Kjernen i denne forskningen var ønsket om å lage de første semi‑autonome myke robotene. Disse enhetene ville integrere et sensorsett som tillot dem å ta beslutninger basert på miljøet. For eksempel kunne de sette enheten til å reagere på endringer i temperatur, hindringer eller tidsbegrensninger.

Overvinne magnetisk interferens i myke roboters elektronikk

Ingeniørene visste at interpunktet av magneter ville medføre nye problemer som måtte løses, hovedsakelig interferens. Magnetfelt er flotte for å aktivere magneter, men ikke så bra når det gjelder elektronisk interferens. Disse magnetfeltene kan forstyrre elektroniske funksjoner og skape kaos.

Derfor brukte ingeniørene mye tid på å bestemme den ideelle elektronikk‑layouten. De klarte å fastslå den beste sensor‑ og chip‑plasseringen basert på interferensnivåer og forhåndskraft. Dette trinnet sikret at den myke roboten ikke plutselig ville svikte når den endrer form og endrer sine elektromagnetiske egenskaper.

Testing av myke roboters kapasiteter i virkelige miljøer

For å demonstrere myke roboters evner satte teamet opp en liten hinderløype. Den lille magnetisk drevne enheten var i stand til å krysse ulike terreng og hindringer for å fullføre reisen med suksess. Robotens video viser den som traverserer terrenget ved å endre form og layout.

Robotens første handling er å gå inn i et rør og forme en ball, noe som gjør at den raskt kan komme seg gjennom hindringen. Deretter møtte den flere typer terreng med varierende layout, høyde og ruhet. Under disse testene var ingeniørene ivrige etter å overvåke stabilitet og elektronisk ytelse.

Hvordan elektriske komponenter presterer under magnetisk stress

De elektriske komponentene i roboten ble også grundig testet. Disse testene målte effektene av elektromagnetisk interferens på enhetens kritiske komponenter, som induktor, temperatur, belastning, transistorer, kondensatorer, μ‑LED, μ‑varmer, mikrokontroller (μC), dioder og Bluetooth low‑energy system‑on‑chip.

Resultater viser at ny myk robotdesign øker ytelsen

Testresultatene beviste at den nye myke robotdesignen var svært effektiv og presterte bedre enn tradisjonell myk robotikk. De bemerket at de trådløse elektroniske robotene og de magnetisk responsive konstruerte komposittene tillot ingeniørene å oppnå et eksepsjonelt spekter av bevegelser og former.

Robotdesignen tilbyr stabil og nøyaktig utførelse av multimodale elektriske funksjoner uten tap av mekanisk bevegelse. I tillegg gjorde sensorene det mulig for roboten å ta beslutninger i sanntid for å oppnå sitt mål. Denne tilnærmingen viste enhetens tilpasningsevne og evne til å utføre komplekse oppgaver under et bredt spekter av forhold.

Fordeler med myke roboter i redning, medisin og industri

Det er mange fordeler denne studien om myke roboter bringer til markedet. For det første åpner den døren for mer kapable og smidige enheter. Å bruke magneter i stedet for servomotorer gjør disse enhetene langt mer fleksible, lettere og mer responsive. Disse fordelene betyr at ingeniører kan være mer innovative i sine design i fremtiden. Det gjør dem også i stand til å skalere opp eller ned designene basert på krav.

Virkelige bruksområder og fremtiden for myke roboter

Det finnes mange anvendelser for myke roboter i markedet i dag. Fra å overta industrielle oppgaver til å jobbe side om side med mennesker, vil disse enhetene omforme markedet på mange måter. Her er noen av de beste bruksområdene for myke roboter i de kommende årene.

Katastroferedning

Mange analytikere ser myke roboter som den beste løsningen for katastrofehjelpsinnsatser. Når det oppstår store katastrofer som jordskjelv eller flom, kan redningsteamet hindres av den store mengden avfall og ødeleggelse forårsaket av hendelsen.

Myke roboter er designet for å navigere disse forholdene enkelt. I fremtiden kan de settes opp med sensorer som hjelper med å lokalisere overlevende ved hjelp av teknologi som hjerteslag‑ eller ammoniaksensorer. Disse enhetene kan distribueres i stort antall for å krype seg gjennom kollapsede bygninger eller tøffe jungler til de finner liv. Dermed kan de bli et verdifullt verktøy for førstehjelpspersonell i fremtiden.

Medisinsk

Myk robotikk har en lang og interessant historie innen medisin. Disse enhetene kan en dag levere medisin til vanskelig tilgjengelige områder som lever eller nyrer. Disse robotene vil kunne navigere de intrikate veiene i menneskekroppen og fullføre oppgaver.

For eksempel vil en robotpille integrere avanserte sensorer som kan spore data som pH‑endringer eller trykkendringer ved kilden. Ingeniørene forestiller seg også en dag hvor du kan motta en injeksjon for å laste roboten inn i kroppen din for å behandle hjerte‑ og karsykdommer, levere medikament eller overvåke vitale detaljer.

Industriell assistanse

Myk robotikk vil være overalt i fremtidens fabrikker. I motsetning til deres harde motparter kan myke roboter jobbe ved siden av mennesker uten å øke risikoen for skade. Allerede har forskere sett på et responsystem basert på sensorer som ville få disse enhetene til å reagere som et menneske når de støter borti kolleger, trekke seg tilbake og forhindre skade.

Møt ingeniørene bak innovasjonen med myke roboter

Denne forskningen inkluderte deltakere fra flere høyt berørte utdanningsinstitusjoner. Spesielt ledet Penn State‑ingeniører studien sammen med et team av forskere fra andre institusjoner.

Rapporten lister opp Sungkeun Han, Jeong‑Woong Shin, Joong Hoon Lee, Bowen Li, Gwan‑Jin Ko, Tae‑Min Jang, Ankan Dutta, Won Bae Han, Seung Min Yang, Dong‑Je Kim, Heeseok Kang, Jun Hyeon Lim, Chan‑Hwi Eom, So Jeong Choi, Huanyu Cheng og Suk‑Won Hwang som bidragsytere. Den oppgir også at National Research (NRC ) Foundation of South Korea og Korea Institute of Science and Technology bidro med finansiering av denne forskningen.

Hva er neste for myke roboter: Miniaturisering og medisin

Ifølge ingeniørene har de mange planer for å forbedre enheten i fremtiden. De håper å videre miniaturisere systemet for å gjøre det egnet for biomedisinske bruksområder. Forestill deg en pille som er en robot designet for å skanne tarm- og fordøyelsessystemet ditt. Alle disse alternativene og mer er på bordet.

Investering i bioteknologi

Robotikkfeltet er en raskt voksende sektor som spenner fra firmaer som bygger krigsmaskiner til mikroskopiske maskiner du kan svelge. Denne mangfoldige sektoren har sett betydelige investeringer og innovasjon det siste tiåret. Denne forskningen har kulminert i introduksjonen av høy‑ytelses‑roboter som nå er kommersielt tilgjengelige. Her er ett selskap som fortsetter å drive innovasjon innen robotikk og bioteknologi.

iRhythm Technologies: En ledende AI‑drevet hjerteovervåkningsbedrift

Selv om den nåværende studien ennå ikke er kommersialisert, demonstrerer andre bioteknologiselskaper som iRhythm Technologies allerede løftet ved å integrere AI med helseovervåkingsrobotikk.

iRhythm Technologies (IRTC ) ble grunnlagt i 2006 og er innlemmet i Delaware. Grunnleggeren, Uday N. Kumar, opprettet firmaet for å levere avanserte kardiovaskulære overvåkningssystemer til førstehjelpspersonell. Deres første produkt var en sensor‑patch som ble tatt i bruk innen helsevesenet.

I dag tilbyr iRhythm Technologies en suite av avanserte hjerteovervåkningsenheter. Disse enhetene kombinerer proprietær kunstig intelligens og maskinlæring for å identifisere arytmier raskere. Merkverdig fortsetter selskapet å forbedre sine produkter og AI ved å integrere sine data i fremtidige enheter. De som søker tilgang til et bioteknologiselskap som allerede har sterk markedsstøtte bør vurdere IRCTC.

Siste nyheter om iRhythm Technologies

Hvorfor myke roboter kan redde liv i nær fremtid

Når du undersøker bruksområdene og evnene til disse enhetene, er det lett å se at de fyller et nisje som tradisjonelle roboter aldri kunne. Som sådan vil etterspørselen etter disse unike enhetene øke etter hvert som deres evner blir bedre forstått.

Heldigvis bidrar denne siste studien til å kaste lys over disse enhetene og åpner døren for mer innovasjon. For nå kan alle som er interessert i å hjelpe med å navngi disse robotene sende sine beste forslag til Cheng på [email protected].

Lær om annen kul robotikk her.

Studier referert:

^{1. Han, S., Shin, JW., Lee, J.H. et al. Trådløs, multifunksjonell systemintegrert programmerbar myk robot. Nano-Micro Lett. 17, 152 (2025). https://doi.org/10.1007/s40820-024-01601-3}