Semi-Autonoma mjuka robotar redo att rädda liv

När du tänker på robotar, ser du förmodligen en stel maskin som kan utföra uppgifter eller assistera dig i dina företag. Men en annan robotklass fortsätter att höja ögonbrynen och förmedla innovation – mjuka robotar. Dessa unika enheter kan förändra sin form och handlingar för att möta många uppgifter. Här är vad du behöver veta.

Vad är mjuka robotar och varför är de spelväxlare?

Mjukrobotiksektorn är en spännande marknad som fortsätter att se massiva uppgraderingar och innovation. Många ser dessa enheter som nyckeln till katastrofhjälpinsatser. Dessa enheters mjuka och justerbara natur tillåter dem att pressa sig genom små hål och rör när det behövs, vilket gör att roboten kan nå de mest svåra platserna som annars skulle vara omöjliga att uppnå med traditionella alternativ.

Mjuka robotar är byggda av flexibla material som tillåter dem att förändra och böja sin struktur som behövs. Dessa enheter finns i många former, med några utformade för att kräla genom rör som en orm, medan andra kan vikas eller rullas till en boll, vilket ger överlägsen åtkomst när situationen kräver.

Nyckelutmaningar som hindrar mjuk robotutveckling

Mjuka robotar är inte perfekta. Deras inneboende design och material gör att skapandet av dessa enheter blir en balans mellan prestanda och placering av komponenter i områden där de inte hindrar flexibiliteten. I det förflutna begränsade ingenjörerna de elektronik som användes för att hjälpa till att minska styvheten hos deras mjuka robotik.

Genom att minska de integrerade sensorerna i dessa system hjälper det till att eliminera styva kretskort och servon, men det innebär också att dessa enheter vanligtvis är begränsade till enkelriktade kommunikationssystem. Dessa system är hur piloten skulle navigera roboten genom det svåra landskapet.

Genom att känna till begränsningarna i denna metod, har ett team av kreativa ingenjörer från flera ledande forskningsinstitutioner lagt fram en förbättrad mjuk robotdesign som minskar styvhet och ökar prestanda över hela linjen.

Genombrottsstudie avslöjar smartare, flexibla mjuka robotar

Studien “Trådlös, multifunktionell systemintegrerad programmerbar mjuk robot” publicerad i Nano-Micro Letters introducerar ett nytt mjuk robotkoncept som är mer kapabel och överkomlig än tidigare alternativ. Som en del av robotens uppgraderade funktioner, introducerade teamet en mängd sensorer som tillåter enheten att fatta semiautonoma beslut baserat på dess aktuella situation och omgivning.

Source – Jennifer M. McCann

Inuti designen av nästa generations mjuka robotar

Som en del av den nya mjuk robotdesignen, började teamet med att skapa om mjuk robotlayouten från grunden. De insåg att de behövde skapa enheten på ett sätt som tillåter den att uppnå flera former och rörelser med minimal energiförbrukning. För att uppnå detta, integrerade de magnetiskt responsiva mjuka kompositsmatriser med deformabla multifunktionella elektronik.

Hur ingenjörer bevarar flexibilitet i avancerade mjuka robotar

Att behålla mjuka robotars flexibilitet är ett stort problem för designers och ingenjörer. Varje gång du lägger till en annan chip, sensor, batteri eller servo, begränsar du flexibiliteten avsevärt i den delen av roboten. Följaktligen har mer kapabla mjuka robotar vanligtvis mindre flexibilitet eftersom deras kärnkomponenter inte kan böjas utan att misslyckas.

Teamet tillbringade mycket tid med att diskutera den idealiska trådlösa kretsen, sensorerna och enheterna. Därefter var det upp till ingenjörerna att bestämma den bästa platsen för dessa enheter som skulle påverka rörelsen. Till slut enades man om en specifik layout som utrymde elektronik på ett sätt som tillät roboten att fullständigt anpassa sig och till och med rulla ihop sig till en boll när det behövdes.

Magnetiskt kontrollerad rörelse: Hur dessa mjuka robotar rör sig

Ingenjörerna behövde sedan ta reda på hur de kunde ge roboten förmågan att förändra sin form. För detta steg vände de sig till flera magnetiska föreningar. Specifikt bereds de magnetiska föreningarna genom att blanda de syntetiserade WcMPs med en silikonelastomer och en 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 justera riktningen på de infällda magnetiska partiklarna. Slutligen tilläts de nyskapade magneterna att kylas.

Dessa specialbyggda magnetiska föreningar var utformade för att genomgå en fasövergång vid en låg temperatur, vilket tillåter ingenjörerna att ändra magnetisk polaritet på några sekunder. Genom att justera fältets styrka och riktning kan teamet få roboten att utföra vissa uppgifter och former. De noterar att de kunde få sin enhet att böja, vrida och kräla med denna metod.

Styrning av mjuka robotar med precision med magnetfält

Laboratoriet skapade ett magnetiskt material som infogades i enhetens flexibla struktur. Denna åtgärd möjliggjorde för ingenjörerna att kontrollera enheten med hjälp av magnetfält. Ingenjörerna applicerade fältet via handhållna magneter och elektromagnetiska fältgeneratorer.

Specifikt valdes en kommersiell permanent NdFeB-magnet och en anpassad 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 semiautonoma

I kärnan av denna forskning fanns en önskan att skapa de första semiautonoma mjuka robotarna. Dessa enheter skulle integrera en sensorsvit som tillåter dem att fatta beslut baserat på miljön. Till exempel kunde de ställa in enheten för att svara på förändringar i temperatur, hinder eller tidsbegränsningar.

Övervinning av magnetisk interferens i mjuk robot-elektronik

Ingenjörerna visste att interpunkten av magneter skulle komma med några nya problem som måste lösas, främst interferens. Magnetfält är bra för att aktivera magneter men inte så bra i termer av elektronisk interferens. Dessa magnetfält kan störa elektroniska funktioner och skapa kaos.

Som sådan tillbringade ingenjörerna mycket tid med att bestämma den idealiska elektroniklayouten. De kunde bestämma den bästa sensor- och chipplaceringen baserat på interferensnivåer och förkraft. Detta steg säkerställde att den mjuka roboten inte plötsligt skulle misslyckas när den ändrar form och ändrar sina elektromagnetiska egenskaper.

Testning av mjuka robotars förmågor i verkliga miljöer

För att demonstrera mjuka robotars förmågor, satte teamet upp en liten hinderbana. Den lilla magnetiskt drivna enheten kunde korsa en mängd olika terränger och hinder för att slutföra resan framgångsrikt. Roboten kan ses i en publicerad video som korsar terrängen genom att ändra sin form och layout.

Roboten går först in i en rör och bildar en boll, vilket möjliggör att den snabbt kan ta sig genom hindret. Därefter mötte den flera typer av terräng, som varierar i layout, höjd och grovhet. Under dessa tester var ingenjörerna angelägna om att övervaka stabilitet och elektronikprestanda.

Hur elektriska komponenter presterar under magnetisk stress

De elektriska komponenterna i roboten testades noggrant. Dessa tester mätte effekterna av elektromagnetisk interferens på enhetens kritiska komponenter, som induktor, temperatur, töjning, transistorer, kondensatorer, μ-LED, μ-värmare, mikrokontroller (μC), dioder och Bluetooth lågenergi system-på-chip.

Resultat visar att ny mjuk robotdesign förbättrar prestanda

Testresultaten visade att den nya mjuk robotdesignen var mycket effektiv och presterade bättre än traditionell mjuk robotik. De noterade att de obundna elektroniska robotarna och de magnetiskt responsiva ingenjörskompositerna tillåter ingenjörerna att uppnå ett exceptionellt rörelse- och formområde.

Robotdesignen erbjuder stabil och exakt utförande av multi-modala elektriska funktioner utan någon förlust av mekanisk rörelse. Dessutom tillåter sensorerna roboten att fatta beslut i realtid för att uppnå sitt mål. Denna metod visade enhetens anpassningsförmåga och förmåga att utföra komplexa uppgifter under en mängd olika förhållanden.

Fördelar med mjuka robotar inom räddning, medicin och industri

Det finns många fördelar som denna mjuk robotstudie bringar till marknaden. För det första öppnar det dörren för mer kapabla och agila enheter. Användning av magneter istället för servon gör dessa enheter mycket mer flexibla, lättare och responsiva. Dessa fördelar innebär att ingenjörer kan vara mer innovativa i sina designbeslut i framtiden. Det möjliggör också för dem att skala upp eller ner sina designbeslut baserat på kraven.

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 användningsfallen för mjuk robotik i de kommande åren.

Katastrofhjälp

Många analytiker ser mjuka robotar som den bästa lösningen för katastrofhjälpinsatser. När det finns stora katastrofer som jordbävningar eller översvämningar, kan räddningsteam hindras av den stora mängden raser och förstörelse som orsakats av händelsen.

Mjuka robotar är utformade för att navigera dessa förhållanden lätt. I framtiden kan de utrustas med sensorer som hjälper till att lokalisera överlevande med hjälp av teknik som pulsmätning eller ammoniaksensorer. Dessa enheter kan distribueras i stor skala för att krypa genom kollapsade byggnader eller tät djungel tills de hittar liv. Som sådan kan de bli ett värdefullt verktyg för första hjälpen i framtiden.

Medicin

Mjuk robotik har en lång och intressant historia inom det medicinska området. Dessa enheter kan en dag leverera medicin till svårtillgängliga områden som lever eller njurar. Dessa robotar kommer att kunna navigera de invecklade vägarna i den mänskliga kroppen och slutföra uppgifter.

Till exempel kan en robotpiller integrera avancerade sensorer som kan spåra data som pH-förändringar eller tryckförändringar vid källan. Ingenjörerna ser till och med fram emot en dag när du kan få en injektion för att ladda roboten in i din kropp för att behandla hjärt-kärlsjukdomar, leverera medicin eller övervaka livsviktiga detaljer.

Industriell assistans

Mjuk robotik kommer att finnas överallt i framtiden. Till skillnad från deras hårda motsvarigheter kan mjuka robotar arbeta bredvid människor utan att öka risken för skada. Redan har forskare undersökt ett responsystem baserat på sensorer som skulle göra dessa enheter reagera som en människa när de stöter på medarbetare, dra sig tillbaka och förhindra skada.

Möt ingenjörerna bakom mjuk robotinnovationen

Denna forskning inkluderade deltagare från flera högt 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 Foundation of South Korea och Korea Institute of Science and Technology hjälpte till att finansiera denna forskning.

Vad är nästa steg för mjuka robotar: miniaturisering och medicin

Enligt ingenjörerna har de många planer på att förbättra sin enhet i framtiden. De hoppas på att ytterligare miniaturisera systemet för att göra det lämpligt för biomedicinska användningsfall. Tänk dig en piller som var en robot utformad för att skanna din tarm och matsmältningssystem. Alla dessa alternativ och mer är 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 diversifierade sektor har sett betydande investering och innovation under det senaste decenniet. Denna forskning har kulminerat i introduktionen av högpresterande robotar som nu är kommersiellt tillgängliga. Här är ett företag som fortsätter att driva innovation inom robotik och bioteknik.

iRhythm Technologies: Ett ledande AI-drivet kardiologiskt övervakningsföretag

Medan den aktuella studien ännu inte är kommersialiserad, visar andra bioteknikföretag som iRhythm Technologies redan löftet om att integrera AI med hälsövervakningsrobotik.

iRhythm Technologies (IRTC ) grundades 2006 och är registrerat i Delaware. Dess grundare, Uday N. Kumar, skapade företaget för att tillhandahålla avancerade kardiologiska övervakningssystem till första hjälpen. Deras första produkt var en sensorplattform som såg adoption inom hälsovårdssektorn.

Idag erbjuder iRhythm Technologies en svit av avancerade kardiologiska övervakningsenheter. Dessa enheter kombinerar proprietär artificiell intelligens och maskinlärande för att identifiera arytmi snabbare. Noterbart fortsätter företaget att förbättra sina produkter och AI genom att integrera sin data i framtida enheter. De som söker tillgång till ett bioteknikföretag som redan har starkt stöd från marknaden bör överväga IRCTC.

Senaste om iRhythm Technologies

Varför mjuka robotar kan vara livräddande i nästa framtid

När du undersöker användningsfallen och förmågorna hos dessa enheter, är det lätt att se att de fyller en nisch som traditionella robotar aldrig kan. Som sådan är efterfrågan på dessa unika enheter satt att öka när deras förmågor blir bättre förstådda.

Lyckligtvis hjälper denna senaste studie till att kasta ljus över dessa enheter och öppnar dörren för mer innovation. För nu kan vem som helst som är intresserad av att hjälpa till att namnge dessa robotar skicka in sina bästa alternativ till Cheng på [email protected].

Lär dig om andra coola robotik 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}