3D-utskrift kan göra robotik säkrare genom biomimetik

En studie publicerad i Advanced Intelligent Systems den här månaden introducerar en ny form av robotaktuator som använder biomimetik för att skapa rörelse liknande hur dina muskler fungerar. Dessa mjuka aktuatorer gör det möjligt för ingenjörer att skapa flexibla enheter som kan utföra unika uppgifter som att böja eller forma om former. Här är vad du behöver veta.

Soft Robotics

Soft eller ‘non-compliant’ robotar är ett växande område med obegränsad potential. Dessa enheter kan skifta och vika sig för att passa in i trånga springor, runt hörn och i andra scenarier där en stel enhet skulle misslyckas. På så sätt är marknaden för mjuk robotik på uppgång, med analytiker som förutspår en CAGR på 55,4 % fram till 2029.

Problems with Traditional Actuators

En faktor som fortsätter att begränsa tillväxten inom mjuk‑robotiksektorn är det nuvarande urvalet av aktuatorer. Varje aktuator möjliggör en ny rörelsevektor för enheten. Dessa enheter skapar dock hårda punkter i de icke‑komplienta robotstrukturerna. Dessa hårda punkter hindrar sann frihet i rörelsen.

Dessutom krävs en ytterligare aktuator för varje rörelsespann. På så sätt kan de öka både vikt och kostnad för dessa enheter. Tyngre robotar använder mer energi, vilket gör dem mindre användbara, effektiva och produktiva.

Using Biomimetics to Create a Better Actuator

studien går in på en ny form av mjuk aktuator som mer liknar mänskliga muskler genom att den sträcker sig och drar ihop sig samtidigt. Denna kombination skapar mer kraft och möjliggör att din kropp överför den kraften mer effektivt. Fram till nu har robotingenjörer främst fokuserat på aktuatorer som kunde expandera och kontrahera, med liten hänsyn till deras styvhet under processen.

Källa – Advanced Intelligent Systems

Researchers

Forskare från Northwestern och McCormick School of Engineering samlades för att utforska möjligheterna med en ny typ av biomimetisk aktuator. Studien leddes av Taekyoung Kim. Han fick hjälp av Pranav Karthik, Ryan Truby och juniorprofessor i materialvetenskap och ingenjörsvetenskap samt maskinteknik vid McCormick School of Engineering, Donald Brewer. Tillsammans skapade detta innovativa team en ny tillverkningsprocess och fungerande prototyper samt genomförde djupgående forskning på deras nya biomimetiska aktuator.

A New Style of Actuator

Det första steget teamet tog var att 3D‑skriva kroppen på sin enhet. Forskarna behövde hitta en struktur som kunde böja och vrida sig men ändå hantera tryck när det behövdes. Specifikt har designen bälgar som automatiskt deformeras genom torsionsbuckling vid ökande vridmoment. Denna manöver skapar en helixform som kan överföra torsionslast effektivt.

Better Material for the Job

De insåg tidigt att de vanliga 3D‑skrivna aktuatormaterialen inte skulle vara tillräckligt flexibla för att slutföra uppgiften. Efter mycket överläggning beslutades det att använda termoplastisk polyuretan för deras enhet. Detta material finns i många saker du använder varje dag. Det är det gummiliknande materialet som ditt mobilskal och andra tillbehör använder för att skyddas. Noterbart är att detta material är töjbart och kan hantera torsionsvridning vid behov.

Single Motor

En av de största förändringarna mot traditionella aktuatorer som forskarna gjorde var att eliminera behovet av flera motorer. Deras enhet kunde bilda en mängd olika former och rikta sig i flera riktningar genom att bara vrida den enkla motorn, vilket får enheten att förlängas och kontraheras.

Unique Movements

Enkelmotordesignen ger dessa robotar maximal flexibilitet. Den kan expandera och vrida sig för att möta miljöns och målens behov. Dessutom minskar enkelmotordesignen kostnaderna och kan förenkla designen av framtida enheter.

Robot Crawler

Den första enheten som teamet skapade var en 26 centimeter lång robotkrypare. Denna enhet kan förlängas och böjas beroende på det vridmoment som servot applicerar. Robotens kan röra sig som en mask genom att skapa en dragande rörelse som gör att den kan navigera genom komplexa miljöer med 32 centimeter per minut.

Teamet testade sin krypare i en offentlig video. Enheten kan ses ta sig igenom ett komplext rör som kräver att roboten gör tajta svängar för att navigera till frihet. Enheten klarade enkelt de trånga slingrande kurvorna med framgång.

Resultaten från kryparens test var positiva. Robotens kan sträckas med 45 % vilket gör att den kan bli lång och smal när det behövs. Dessutom noterade teamet att enheten har en maximal blockerad tryckkraft på cirka 8 N.

Artificial Bicep

Den nästa prototypen som teamet demonstrerade var en robotbiceps. Denna enhet integrerade en 6‑axlig lastcell, en linjär guide och ett enda servo för att generera vridmoment och rörelse liknande en mänsklig biceps.

Enheten är tillverkad av samma gummimaterial som den mjuka axeln. Denna design ger icke‑linjära, viskoelastiska svar. Dessa handlingar resulterar i ett hysteresis kraft‑förskjutningssvar, vilket gör att enheten kan krulla föremål som en mänsklig arm.

Ingenjörerna testade sin robotbiceps för att se dess kapacitet. Enheten lyfte framgångsrikt en 500 g vikt 5 000 gånger utan fel. Dessa resultat visar på repeterbarheten och effektiviteten i det nya tillvägagångssättet för robotrörelser.

Test

Testfasen gav värdefull återkoppling till forskarna som kommer att sträva efter att förbättra sina framtida designer med hjälp av dessa data. Ingenjörerna var angelägna om att samla in viktig information inklusive aktuatorns vridmoment, tryck- och dragkraft, draghållfasthet och andra viktiga belastningstester som kan hjälpa till att fastställa den maximala kapaciteten för den nya uppsättningen.

Benefits

Forskarnas studie kan ha betydande effekter på marknaden. Soft‑robotikområdet fortsätter att växa och när fler av dessa enheter går i produktion blir deras fördelar allt tydligare. Här är bara några av de sätt som denna forskning kan hjälpa till att driva soft‑robotikmarknaden framåt.

Make Robots Safer

En av huvudorsakerna till att man vill skapa mjuka robotar är att de är mycket säkrare att arbeta runt. Ju fler tillverkare som försöker integrera robotik i sin arbetsstyrka, desto vanligare blir det att människor och robotar arbetar sida vid sida. Mjuka robotar är en mycket bättre arbetskamrat i de flesta scenarier av många skäl.

För det första är de mindre benägna att skada dig om du stöter på dem. Att springa in i ett metallrör är redan smärtsamt. Smärtan kan förvärras om den metalliska enheten rör sig och slår emot dig. Mjuka robotar skulle hjälpa till att eliminera mindre skador på grund av lätta stötar och kollisioner.

Mjuka robotar kan arbeta i miljöer där traditionella robotar skulle anses för farliga att använda. Till exempel kan de i framtiden hjälpa till att föda upp boskap. För närvarande är dessa enheter bättre lämpade för människocentrerade miljöer jämfört med traditionella hårda robotar.

Low Cost

En av de största fördelarna med studien är besparingarna. Att skapa robotservrar och hårda robotar är en dyr uppgift som i årtionden har begränsat det till främst stora tillverkare med hög budget. Nyliga genombrott har hjälpt till att jämna ut spelplanen för mindre verksamheter.
Den senaste utvecklingen sänker kostnaderna ytterligare. Enligt forskarnas dokumentation kostade robotprototyperna de använde endast 3 $ i material, exklusive servot. Detta prisvärda alternativ öppnar dörren för mer integration eftersom det finns många uppgifter som robotar skulle kunna utföra men kostnadsrestriktioner har hittills begränsat deras användning. Snart kan lågkostnads‑soft‑robotik hittas som hjälp i ditt dagliga liv.

Use Regular 3D Printers.

Ett annat genombrott var introduktionen av en 3D‑skrivartvänlig biomimetisk aktuator. Möjligheten att tillverka dessa enheter med en vanlig 3D‑skrivare innebär att vem som helst kan integrera forskarnas studieresultat och skapa nya och innovativa mjuka robotdesigner.

Integrated

Forskarna är stolta över att deras nya aktuator kan integreras sömlöst i dagens robotdesigner. Detta steg kommer att hjälpa till att driva adoption och förenkla innovation. Det hjälper också utvecklare att få omedelbar återkoppling på sin forskning när fler ingenjörer utnyttjar deras strategi.

Current Market Leaders

Soft‑robotikmarknaden har hård konkurrens bland de främsta aktörerna. En nylig studie fann att endast fem toppleverantörer kontrollerar 40 % av soft‑robotikmarknaden. Samma studie visade att Nordamerika leder tävlingen när det gäller adoption. Några av de främsta leverantörerna inkluderar Parker Hannifin, SRT, Myomo, Bionik Laboratories och Panasonic.

1. Cyberdyne

Cyberdyne är ett cybernetik‑teknikföretag som strävar efter att förena AI, robotik och informationssystem för att skapa en ny nivå av effektivitet och kapacitet. Företaget är en pionjär på cybernetikmarknaden och erkänns som en av de främsta forskarna och tillverkarna av mjuka robotenheter.
Cyberdyne har upplevt imponerande tillväxt. Företaget såg sin omsättning öka med +52 % från ¥2,15 miljarder till ¥3,29 miljarder på ett år. En stor del av denna tillväxt kan tillskrivas framgångsrika satsningar inom medicinsk utrustning.

2. Soft Robotics

Soft Robotics är en annan stor aktör inom sektorn. Företaget specialiserar sig på automatiserad tillverkning och jordbrukstillämpningar. Dess enheter integrerar avancerade visuella inspektionslösningar och AI‑algoritmer för att säkerställa att deras enhet kan plocka, sortera och identifiera föremål med precision.
Soft Robotics introducerar en mjuk grepphand som utnyttjar 3D‑vision och AI för att utföra komplexa uppgifter som tidigare bara var möjliga för människor. Dessa enheter ger odlare hög hastighet för plockning, sortering och förpackning. Noterbart är att Soft Robotics är ett utmärkt exempel på hur mjuka robotar kan förbättra produktiviteten.

3. Ekso Bionics Holdings

(EKSO )

Ekso Bionics Holdings är en global ledare inom exoskelettteknik. Företagets teknik fyller flera roller inom både sjukvård och tillverkning. De erbjuder för närvarande en mängd exoskelett som används specifikt för rehabilitering, terapi och för att hjälpa personer med rörlighetsproblem att återhämta sig.
Ekso erbjuder både överkropps‑ och underkropps‑exoskelett. Dessa enheter gör det möjligt för bäraren att resa längre, lyfta mer och hantera större belastning utan utmattning. Företagets positionering och banbrytande produkter har hjälpt dem att säkra enorma intäktsökningar sedan 2022.

Companies that Could Benefit from the Biomimetic Actuator

Många företag kan använda forskarnas studie för att förbättra sina nuvarande erbjudanden. Dessa företag är redan aktiva på marknaden och erbjuder produkter som kan förbättras med denna teknik när det gäller större effektivitet, lägre omkostnader eller bättre erbjudanden.

ReWalk Robotics

ReWalk är en leverantör av bioniska gångsystem. Företaget har hjälpt tusentals människor att återfå sin rörlighet tack vare sin innovativa metod och fokus. ReWalk Robotics strävar efter att hjälpa paraplegiker att återfå kontrollen över sina liv med sina unika produkter.

ReWalks bioniska gångassistent har servodrivna benskenor, ett ryggsäcksbatteri och en handledsmonterad fjärrkontroll. Denna enhet kan konfigureras att röra sig på kommando eller att automatiskt upptäcka rörelse. I detta läge kan systemet förbättra bärarens handlingar med minimal ansträngning.

ReWalk Robotics har en konsensusbedömning av “köp” på grund av sin position på marknaden. Företaget fortsätter att tänja på gränserna med sina unika designer och produkter. Introduktionen av ytterligare teknik, såsom AI och biomimetiska aktuatorer, kan kraftigt minska kostnaderna för deras enheter i framtiden.

RightHand Robotics

RightHand Robotics är en annan tillverkare av mjuka robotar. Företaget är beläget i Boston och erbjuder ett urval av produkter som är utformade för att erbjuda effektiva plockningslösningar på marknaden. Företaget vill ge återförsäljare möjlighet att driva strömlinjeformat e‑handel med hjälp av deras robot‑sorteringsalternativ.
Noterbart har RightHand Robotics mottagit flera utmärkelser för sina insatser. Företaget listades som Robotics Company of the Year vid New England Venture Capital Association (NEVY) Awards för sitt arbete inom området.

Biomimetics will Make Life Easier for All.

I framtiden kommer robotar att ha många fler roller. Mjuka robotar kommer att främja denna integration eftersom dessa enheter är bättre lämpade att arbeta tillsammans med människor än traditionella enheter. För närvarande kan forskningen som dessa ingenjörer har utfört hjälpa till att göra robotar från sällsynta till mycket prisvärda alternativ som vem som helst kan köpa. Därför är det klokt att följa dessa utvecklingar när de sker.
Läs om andra spännande projekt nu