Är keramer nyckeln till att bredda sinnena i mjukrobotik för att inkludera beröring och temperatur?

Vare sig du gillar det eller inte, kan din nästa kollega vara en robot. Idag arbetar fler människor sida vid sida med autonoma maskiner. Dessa enheter är idealiska för att utföra uppgifter som sträcker sig från sortering av föremål till att utföra operationer. Därför finns det en stark efterfrågan på att bredda sensorutbudet, så att dessa enheter kan förstå sin omgivning bättre.

Robotar som kan känna och manipulera föremål som en mänsklig hand är på väg. Nyligen tog en grupp ingenjörer från Empa konceptet med känsliga robotar ett steg längre. Här är allt du behöver veta om hur keramer kan vara nyckeln till att skapa robotar som kan känna temperatur, beröring, tryck och mer.

Studie om Smarta Keramer

Studien “Sensor-Embedded Muscle for Closed-Loop Controllable Actuation in Proprioceptive Biohybrid Robots,”¹ publicerad i Advanced Intelligent Systems, beskriver hur ingenjörer använde avancerade keramer för att skapa robotkomponenter som kan känna. I artikeln går ingenjörerna djupt in i skapandet av artificiella känselenheter som utnyttjar elektriska pulser och sensorer som är direkt integrerade i robotens yta.

Mjuka Keramer

För att förstå projektet måste du först ta ett ögonblick för att inse att keramer finns i många olika former. Medan du kanske tänker på inredning eller köksartiklar, finns det också högpresterande keramer. Dessa enheter leder elektricitet och ger en solid struktur för många elektronikprodukter idag. Noterbart är att forskarna inledde sina ansträngningar med att experimentera med olika keramer för att registrera deras beteenden och egenskaper.

Under försöken beskrev teamet hur de tog detta material och bröt ner det till små partiklar. Partiklarna inbäddades sedan i en termoplastisk matris. Intressant nog användes en professionell 3D-skrivare för att säkerställa att inbäddningsprocessen genomfördes exakt. Därefter manipulerades den stretchbara plasten, vilket gjorde det möjligt för ingenjörerna att registrera materialets beteende över en mängd olika elasticiteter och positioner.

Test av Högpresterande Keramer

De mjuka sensormaterialen testades för att se om de kunde registrera temperatur, töjning, tryck eller luftfuktighet. Dessa enheter kunde registrera de olika sinnena med hjälp av elektriska pulser. Därefter tog teamet den keramiska fältmatrisen och använde den för att skapa en proteshand.

Proteshand

Proteshanden användes sedan för att testa noggrannheten och känsligheten hos de mjuka sensorerna. Noggrant skapades sensorerna i handen för att registrera värme och tryck. Dessutom kunde materialet avgöra sin position i förhållande till andra delar av handen. Studien konstaterade att teamet lyckades skapa en hand som kunde känna det applicerade trycket och till och med reagera när den rörde vid en annan person.

Robothud

Nästa steg för forskarna var att försöka skapa robothud. Teamet började med att skapa en flerskikts keramisk matris. Matrisen fylldes med keramiska partiklar med en speciell lageruppsättning för att övervaka beröring och temperaturförändringar. Denna robothud designades för att se ut och kännas som mänsklig hud, vilket gör den till ett smart alternativ för robotar som arbetar nära människor. Därefter började teamet arbeta med att skapa en AI-modell.

Smart Protes

En AI-modell styr handens reaktioner baserat på miljön och förhållandena. Specifikt tränades AI-modellen med 4500 mätningar och muskelrörelser. Denna träning genomfördes med ingenjörer från ETH Zurich och University of Tokyo. Protesen använder vävnadsintegrerade piezoresistiva sensorer, vilket möjliggör att enheten genererar energi från rörelse och eliminerar behovet av batterier.

Resultat

Resultaten från studien visar exakt hur en robot kan utvecklas med förmågan att säkert arbeta sida vid sida med människor. Dessa enheter kan känna igen när de stöter på en person och till och med dra sig tillbaka, vilket förhindrar skador. Dessutom lär sig systemets AI kontinuerligt av varje interaktion, vilket gör den till den första proprioceptiva biohybrida roboten som kan känna.

Potentiella Tillämpningar

Det finns många tillämpningar för denna teknik. Att kombinera avancerade AI-system med robotar som kan känna kommer att leda till utvecklingen av säkrare maskiner. Dessa enheter kommer att kunna utföra uppgifter som tidigare bara var möjliga för människor. Dessutom blir de mer mångsidiga, eftersom de kan känna av sin omgivning och anpassa sina handlingar efter förhållandena.

Mjukrobotik

Mjukrobotik är enheter som använder mjuka material istället för traditionella metoder. Mjuka robotar finns i många former. Till exempel måste robotiska sorteringsmaskiner plocka frukt och andra känsliga produkter och flytta dem utan att orsaka skada. Dessa enheter kommer att få en stor uppgradering med införandet av känslig hud och andra modifieringar som gör att de kan fungera som mänskliga händer.

Mjuka robotar har nyligen väckt intresse av flera skäl. De kan stöta emot dig utan att skada dig. Dessutom kan dessa enheter ofta förändra sin form för att ta sig över svår terräng. Denna utveckling kommer att säkerställa att mjuka robotar snart kan känna temperatur och tryck.

Hälsovård

Flera företag specialiserar sig på robotkirurger. Dessa enheter arbetar med precision och optiska sensorer för att hjälpa till att styra enheten. Införandet av tryck- och temperatursensorer skulle möjliggöra att dessa robotar utför mer komplexa operationer samtidigt som de är i samklang med patientens tillstånd.

Speciellt kan smarta proteser hjälpa miljontals patienter att få en bättre livskvalitet. Dessa nästa generations produkter kan integrera flera sinnen och ge patienten en naturlig upplevelse. Dessutom, när du kombinerar denna teknik med de senaste genombrotten inom hjärnkontroller, kan du se dagen då patienters ersättningsproteser blir mer kapabla än de ursprungliga.

Sök- och Räddning

Mjuka robotar har hittat ett speciellt syfte inom sök- och räddningssektorn. Dessa enheter kan ta sig igenom svåra miljöer som ofta är omöjliga för människor att nå. De kan konstrueras för att slingra sig som ormar eller formas som små insekter. Imponerande nog har dessa enheter redan använts i katastrofområden där de hjälpte till att rädda liv. Robotarna kan ta sig in i farliga katastrofzoner och ge akut hjälp innan andra räddningspersonal anländer.

I framtiden kan denna enhet lokalisera personer i behov och till och med utföra rutinmässiga skanningar av deras vitala parametrar, vilket ger räddningspersonal viktig information om patientens tillstånd. Dessutom skulle dessa robotar användas för att bedöma den bästa vägen för att hämta den skadade personen, eftersom enheten kan varna räddningspersonal för faror som värme eller kemikalier.

Jordbruk

Världens jordbrukare söker ständigt efter enkla sätt att förbättra effektiviteten. När världsbefolkningen ökar fortsätter jordbrukarna att innovera för att möta den växande efterfrågan. Mjukrobotik kan hjälpa dem att förbereda, plantera, skörda och kontrollera kvaliteten på deras mat. Dessa enheter kan integrera AI-system för att ytterligare förbättra sina möjligheter, vilket gör att de med hög precision kan avgöra om en frukt är mogen eller förstörd.

Forskare

Empas Laboratorium för Högpresterande Keramer ledde studien. Teamet samarbetade med University of Cambridge för att utveckla den AI-drivna protesleden. Nu strävar teamet efter att utöka sina insatser och skapa mer avancerad robotik, samt att utöka AI-modellens kapacitet.

Företag som kan dra nytta av denna forskning

Robotikindustrin växer. Därför kan du förvänta dig att fler enheter kommer att nå produktionslinjerna under de kommande åren. Robotar minskar risk och kostnader samt förbättrar kvaliteten. Följaktligen vill fler företag integrera dem. Här är ett företag som är optimalt placerat för att dra nytta av denna forskning under de kommande månaderna.

Zebra Technologies

Zebra Technologies (ZBRA ) gick in på marknaden 1969, ursprungligen som  Data Specialties Incorporated. Företagets grundare,  Ed Kaplan och Gerhard Cless, ville skapa ett mjuk- och hårdvaruföretag som kunde förbättra användarupplevelsen och erbjuda innovativa lösningar. De lyckades med att pionjärera flera teknologier, inklusive att vara det första företaget som erbjöd en streckkodsläsare.

1986 bytte företaget namn till Zebra Technologies. Idag är det en populär leverantör av robotik, tjänster och mjukvarulösningar. Specifikt kan fetch100 Roller och Fetch100 Shelf navigera i tillverkningsanläggningar samt sortera och leverera lådor autonomt. Robotarna används redan globalt och har fått höga recensioner.

Zebra Technologies är ett smart tillskott till din portfölj av flera skäl. För det första har företaget varit på uppgång under en lång tid. Det fick en omnämning i Forbes magasin 2002:s “200 bästa småföretag i Amerika” tillsammans med andra utmärkelser.

Företagets aktie, ZBRA, har sett en betydande och stadig tillväxt under året. Den har ett börsvärde på 19,808 miljarder dollar och dess P/E-tal (TTM) är 51,82. Denna tillväxt beror på en kombination av att företaget lanserat nya produkter samt deras satsningar på robotik och AI-system.

Keramer i Robotik

Användningen av högpresterande keramer i robotik kommer att förändra marknaden framöver. Denna studie visar att robotar kan konfigureras för att känna på ett sätt som liknar människor, vilket gör att de kan arbeta sida vid sida med människor med mindre risk och ökad produktivitet. Därför bör du förbereda dig på en robotkollega i framtiden.

Läs om andra spännande robotprojekt nu.

Studierreferens:

^{1. Filippi, M., Balciunaite, A., Georgopoulou, A., Paniagua, P., Drescher, F., Nie, M., Takeuchi, S., Clemens, F., & Katzschmann, R. K. (2024). Sensor-embedded muscle for closed-loop controllable actuation in proprioceptive biohybrid robots. Advanced Intelligent Systems. https://doi.org/10.1002/aisy.202400413}