Semi-autonoma mjuka robotar redo att rädda liv

När du tänker på robotar föreställer du dig sannolikt en stel maskin som kan utföra uppgifter eller hjälpa dig i dina strävanden. Men en annan robotklass fortsätter att väcka förvåning och driva på innovation – mjuka robotar. Dessa unika enheter kan förändra sin form och sina handlingar för att klara många uppgifter. Här är vad du behöver veta.

Vad är mjuka robotar och varför är de spelväxlare?

Den mjuka robotiksektorn är en spännande marknad som fortsätter att uppleva massiva förbättringar och innovation. Många ser dessa enheter som nyckeln till katastrofhjälpsinsatser. Enheternas mjuka och anpassningsbara natur gör att de kan krypa igenom små hål och rör när det behövs, vilket gör att roboten kan nå de svåraste platserna som annars skulle vara omöjliga att nå med traditionella alternativ.

Mjuka robotar är byggda av flexibla material som låter dem förändra och böja sin struktur efter behov. Dessa enheter finns i många former, där vissa är designade för att slingra sig genom rör som en orm, medan andra kan vika eller rulla ihop sig till en boll, vilket ger överlägsen åtkomst när situationen kräver det.

Viktiga utmaningar som bromsar utvecklingen av mjuka robotar

Mjuka robotar är inte perfekta. Deras inneboende design och material gör att skapandet av dessa enheter blir en avvägning mellan prestanda och placering av komponenter i områden där de inte hindrar flexibiliteten. Tidigare begränsade ingenjörer den elektronik som användes för att minska styvheten i deras mjuka robotik.

Att minska de integrerade sensorerna i dessa system hjälper till att eliminera stela kretskort och servomotorer, men det innebär också att dessa enheter vanligtvis är begränsade till envägskommunikationssystem. Dessa system är hur piloten styr roboten genom det svåra terrängen.

När begränsningarna i detta tillvägagångssätt erkändes, presenterade ett team av kreativa ingenjörer från flera ledande forskningsinstitutioner en förbättrad mjuk robotdesign som minskar styvhet och höjer prestandan över hela linjen.

Banbrytande studie avslöjar smartare, flexibla mjuka robotar

Studien “Wireless, Multifunctional System-Integrated Programmable Soft Robot“¹ publicerad i Nano-Micro Letters introducerar ett nytt mjukt robotkoncept som är mer kapabelt och prisvärt än tidigare alternativ. Som en del av robotens uppgraderade förmågor introducerade teamet en mängd sensorer som gör att enheten kan fatta semi‑autonoma beslut baserat på sin aktuella situation och omgivning.

Källa – Jennifer M. McCann

Inuti designen av nästa generations mjuka robotar

Som en del av den nya mjuka robotdesignen började teamet med att återskapa mjukrobotens layout från grunden. De insåg att de behövde tillverka enheten på ett sätt som möjliggör flera former och rörelser med minimal energiförbrukning. För att uppnå detta integrerade de magnetiskt responsiva mjuka kompositmatriser med deformerbar multifunktionell elektronik.

Hur ingenjörer bevarar flexibiliteten i avancerade mjuka robotar

Att hålla mjuka robotar flexibla är ett stort problem för både formgivare och ingenjörer. Varje gång du lägger till en ny krets, sensor, batteri eller servo, begränsar du flexibiliteten i den delen av roboten avsevärt. Följaktligen har mer kapabla mjuka robotar vanligtvis mindre flexibilitet eftersom deras kärnkomponenter inte kan böjas utan att gå sönder.

Teamet tillbringade mycket tid med att diskutera den ideala trådlösa kretsen, sensorerna och enheterna. Därefter var det upp till ingenjörerna att bestämma den bästa placeringen för dessa enheter som skulle påverka rörelsen. Till slut enades man om en specifik layout som placerade elektroniken på ett sätt som gjorde att roboten kunde justera sig helt och till och med rulla ihop sig till en boll när så krävdes.

Magnetiskt kontrollerad rörelse: Hur dessa mjuka robotar rör sig

Ingenjörerna behövde sedan ta reda på hur de skulle ge roboten förmågan att förändra sin form. För detta steg vände de sig till flera magnetiska föreningar. Specifikt förbereds de magnetiska föreningarna genom att blanda de syntetiserade WcMPs med en silikonelastomer och ett härdningsmedel.

Därefter användes en laser för att mönstra de magnetiska mjuka kompositerna innan värme applicerades. Nästa steg krävde att ingenjörerna programmerade ett externt magnetfält (200 mT) för att rotera och rikta in de inbäddade magnetpartiklarna. Slutligen fick de nybildade magneterna svalna.

Dessa specialbyggda magneter är designade för att genomgå fasövergång vid låg temperatur, vilket gör att ingenjörerna kan byta magnetisk polaritet på några sekunder. Genom att justera fältets styrka och riktning kan teamet få roboten att utföra vissa uppgifter och anta specifika former. De noterar att de kunde få sin enhet att böja, vrida och krypa med denna metod.

Styrning av mjuka robotar med precision med hjälp av magnetfält

Laboratoriet skapade ett magnetiskt material som inbäddades i enhetens flexibla struktur. Detta gjorde det möjligt för ingenjörerna att kontrollera enheten med magnetfält. Ingenjörerna applicerade fältet via handhållna magneter och elektromagnetiska fältgeneratorer.

Specifikt valdes en kommersiell permanent NdFeB-magnet och en skräddarsydd cylinder‑elektromagnet som det bästa sättet att applicera ett externt magnetfält. Dessa enheter genererar tillräcklig kraft för att flytta den magnetiska mjuka roboten.

Integrerade sensorer som gör mjuka robotar semi‑autonoma

Kärnan i denna forskning var en önskan att skapa de första semi‑autonoma mjuka robotarna. Dessa enheter skulle integrera en sensorsvit som gör att de kan fatta beslut baserat på omgivningen. Till exempel kunde de ställas in för att reagera på temperaturförändringar, hinder eller tidsbegränsningar.

Övervinna magnetisk interferens i mjuka robotars elektronik

Ingenjörerna visste att placeringen av magneter skulle medföra nya problem som måste hanteras, främst interferens. Magnetfält är utmärkta för att aktivera magneter men är mindre bra när det gäller elektronisk interferens. Dessa magnetfält kan störa elektroniska funktioner och skapa kaos.

Därför tillbringade ingenjörerna mycket tid med att bestämma den ideala layouten för elektroniken. De kunde fastställa den bästa placeringen för sensorer och kretsar baserat på interferensnivåer och förspänning. Detta steg säkerställde att den mjuka roboten inte plötsligt skulle fallera när den förändrar form och ändrar sina elektromagnetiska egenskaper.

Testning av mjuka robotars kapacitet i verkliga miljöer

För att demonstrera sina mjuka robotars förmågor byggde teamet en liten hinderbana. Den lilla magnetiskt drivna enheten kunde ta sig över en mängd terräng och hinder för att slutföra resan framgångsrikt. Robotens framträdande i en publicerad video visar hur den korsar terrängen genom att förändra sin form och layout.

Roboten går först in i ett rör och bildar en boll, vilket gör att den snabbt kan ta sig igenom hindret. Därefter möter den flera typer av terräng med varierande layout, höjd och ojämnhet. Under dessa tester var ingenjörerna noga med att övervaka stabilitet och elektronisk prestanda.

Hur elektriska komponenter presterar under magnetisk stress

De elektriska komponenterna i roboten testades också grundligt. Dessa tester mätte effekterna av elektromagnetisk interferens på enhetens kritiska komponenter, såsom induktor, temperatur, strain, transistorer, kondensatorer, μ‑LED, μ‑heater, mikrokontroller (μC), dioder och Bluetooth low‑energy system‑on‑chip.

Resultaten bevisar att den nya mjuka robotdesignen ökar prestandan

Testresultaten visade att den nya mjuka robotdesignen var mycket effektiv och presterade bättre än traditionell mjuk robotik. De noterade att de trådlösa elektroniska robotarna och de magnetiskt responsiva konstruerade kompositerna gjorde det möjligt för ingenjörerna att uppnå ett exceptionellt rörelse- och formomfång.

Robotdesignen erbjuder stabil och exakt utförande av multimodala elektriska funktioner utan någon förlust av mekanisk rörelse. Dessutom gjorde sensorerna det möjligt för roboten att fatta beslut i realtid för att uppnå sitt mål. Detta tillvägagångssätt demonstrerade enhetens anpassningsförmåga och förmåga att utföra komplexa uppgifter under ett brett spektrum av förhållanden.

Fördelar med mjuka robotar inom räddning, medicin och industri

Denna mjuka robotstudie ger många fördelar på marknaden. För det första öppnar den dörren för mer kapabla och smidiga enheter. Att använda magneter istället för servomotorer gör dessa enheter mycket mer flexibla, lättare och mer responsiva. Dessa fördelar innebär att ingenjörer kan bli mer innovativa i sina framtida designer. Det möjliggör också att skala upp eller ner designen baserat på krav.

Verkliga användningsfall och framtiden för mjuka robotar

Det finns många tillämpningar för mjuka robotar på marknaden idag. Från att ta över industriella uppgifter till att arbeta sida vid sida med människor, kommer dessa enheter att omforma marknaden på många sätt. Här är några av de bästa användningsscenarierna för mjuk robotik under de kommande åren.

Katastrofräddning

Många analytiker ser mjuka robotar som den bästa lösningen för katastrofåterställningsinsatser. När stora katastrofer som jordbävningar eller översvämningar inträffar kan räddningsteamen hindras av den stora mängden spillror och förstörelse som händelsen orsakat.

Mjuka robotar är designade för att enkelt navigera dessa förhållanden. I framtiden kan de utrustas med sensorer som hjälper till att lokalisera överlevande med teknik som hjärtslag‑ eller ammoniassensorer. Dessa enheter kan massutplaceras för att krypa genom kollapsade byggnader eller svår terräng tills de hittar liv. På så sätt kan de bli ett värdefullt verktyg för första insatsgrupper i framtiden.

Medicinsk

Mjuk robotik har en lång och intressant historia inom medicin. Dessa enheter kan en dag leverera medicin till svåråtkomliga områden som levern eller njurarna. Robotarna kommer att kunna navigera de intrikata vägarna i människokroppen och utföra uppgifter.

Till exempel kommer en robot‑piller att integrera avancerade sensorer som kan spåra data som pH‑förändringar eller tryckförändringar vid källan. Ingenjörerna föreställer sig även en dag då du kan få en injektion som laddar roboten i din kropp för att behandla hjärt‑ och kärlsjukdomar, leverera medicin eller övervaka vitala parametrar.

Industriell assistans

Mjuk robotik kommer att finnas överallt i framtidens fabriker. Till skillnad från sina hårda motsvarigheter kan mjuka robotar arbeta bredvid människor utan att öka risken för skador. Redan nu har forskare tittat på ett responsystem baserat på sensorer som får dessa enheter att reagera som en människa när de stöter på medarbetare, drar sig tillbaka och förhindrar skada.

Möt ingenjörerna bakom mjuk robotinnovation

Denna forskning inkluderade deltagare från flera starkt påverkade utbildningsinstitutioner. Specifikt ledde Penn State‑ingenjörer studien tillsammans med ett team av forskare från andra institutioner.

Rapporten listar 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 och Suk‑Won Hwang som bidragsgivare. Den anger också att National Research (NRC ) Foundation of South Korea och Korea Institute of Science and Technology bidrog med finansiering till forskningen.

Vad blir nästa för mjuka robotar: Miniaturisering och medicin

Enligt ingenjörerna har de många planer för att förbättra sin enhet i framtiden. De hoppas kunna miniaturisera systemet ytterligare för att göra det lämpligt för biomedicinska användningsfall. Föreställ dig en piller‑robot som är designad för att skanna din tarm och matsmältningssystem. Alla dessa alternativ och mer ligger på bordet.

Investering i bioteknik

Robotikområdet är en snabbt växande sektor som sträcker sig från företag som bygger krigsmaskiner till mikroskopiska maskiner som du kan svälja. Denna mångsidiga sektor har sett betydande investeringar och innovation under det senaste decenniet. Denna forskning har lett till introduktionen av högpresterande robotar som nu finns kommersiellt tillgängliga. Här är ett företag som fortsätter driva innovation inom robotik och bioteknik.

iRhythm Technologies: Ett ledande AI‑drivet företag för hjärtmonitorering

Även om den aktuella studien ännu inte är kommersialiserad, visar andra bioteknikföretag som iRhythm Technologies redan löftet med att integrera AI i hälso‑monitoreringsrobotik.

iRhythm Technologies (IRTC ) grundades 2006 och är registrerat i Delaware. Dess grundare, Uday N. Kumar, skapade företaget för att tillhandahålla avancerade kardiovaskulära övervakningssystem till första insatsgrupper. Dess första produkt var en sensorpåse som fick antagande inom sjukvårdssektorn.

Idag erbjuder iRhythm Technologies en svit av avancerade hjärtmonitoreringsenheter. Dessa enheter kombinerar proprietär artificiell intelligens och maskininlärning för att identifiera arytmier snabbare. Företaget fortsätter dessutom att förbättra sina produkter och AI genom att integrera sin data i framtida enheter. De som söker tillgång till ett bioteknikföretag med stark marknadsstöd bör överväga IRCTC.

Senaste nyheterna om iRhythm Technologies

Varför mjuka robotar kan vara livräddande inom en snar framtid

När du granskar användningsscenarierna och kapaciteterna hos dessa enheter blir det tydligt att de fyller ett nischområde som traditionella robotar aldrig kan. Därför kommer efterfrågan på dessa unika enheter att öka i takt med att deras förmågor blir bättre förstådda.

Lyckligtvis hjälper denna senaste studie till att belysa dessa enheter och öppnar dörren för mer innovation. För närvarande kan alla som är intresserade av att hjälpa till att namnge dessa robotar skicka sina bästa förslag till Cheng på [email protected].

Läs mer om andra coola robotar här.

Studier som refereras:

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