วิทยาการหุ่นยนต์ที่ล้ำหน้าด้วยการดูดหลายสเกล

หุ่นยนต์และการศึกษาวิทยาการหุ่นยนต์เป็นสาขาที่มีการพัฒนาอยู่ตลอดเวลา ซึ่งยังคงสำรวจช่องทางใหม่ ๆ เพื่อทำให้กระบวนการของเรามีประสิทธิภาพและปรับให้เหมาะสมมากขึ้น ความพยายามและการสำรวจเหล่านี้มักได้รับแรงบันดาลใจจากธรรมชาติและอาณาจักรสัตว์รอบตัวเรา ตัวอย่างเช่น นักวิทยาศาสตร์จากมหาวิทยาลัยบริสตอล พัฒนาถ้วยดูดหุ่นยนต์ ด้วยความสามารถในการดูดที่ปรับตัวได้เหนือชั้นเทียบเท่ากับอวัยวะดูดของปลาหมึกยักษ์ 

กลไกการดูดที่ได้รับแรงบันดาลใจจากปลาหมึกยักษ์ในหุ่นยนต์

ทุกอย่างเริ่มต้นจากห้องปฏิบัติการหุ่นยนต์บริสตอลที่ศึกษาโครงสร้างของอวัยวะดูดของปลาหมึกยักษ์ ซึ่งมีความสามารถในการดูดที่สูงมาก และสามารถยึดติดกับหินได้อย่างเหมาะสมที่สุด งานวิจัยนี้นำไปสู่การสร้างโครงสร้างอ่อนแบบหลายชั้นและระบบของเหลวเทียมที่สามารถทำงานได้คล้ายกับโครงสร้างกล้ามเนื้อและเมือกของปลาหมึกยักษ์  

ขณะอธิบายถึงความสำเร็จที่สำคัญที่สุดของงานวิจัยนี้ เทียนฉี เยว่ หัวหน้าคณะผู้วิจัย ได้กล่าวไว้ว่า “พัฒนาการที่สำคัญที่สุดคือ เราได้แสดงให้เห็นถึงประสิทธิภาพของการผสมผสานระหว่างโครงสร้างเชิงกล – การใช้วัสดุอ่อนเพื่อให้เข้ากับรูปทรงพื้นผิว และการปิดผนึกด้วยของเหลว – การกระจายตัวของน้ำบนพื้นผิวสัมผัส เพื่อปรับปรุงความสามารถในการดูดบนพื้นผิวที่ซับซ้อน นอกจากนี้ยังอาจเป็นความลับเบื้องหลังความสามารถของสิ่งมีชีวิตในการบรรลุความสามารถในการดูดแบบปรับตัว”

ดังนั้นการพัฒนาที่สำคัญจึงสูงกว่าโหมดการดูดเทียมในปัจจุบันและเข้าสู่ขอบเขตของการดูดแบบปรับตัว—ความสามารถในการยึดติดกับพื้นผิวที่ยากและซับซ้อนที่สุด แจกันดอกไม้โรแมนติกนี้ จำเป็นต้องมีกลไกการดูดหลายแบบ และการวิจัยได้แสดงให้เห็นว่าจะบรรลุผลดังกล่าวได้อย่างไร 

การวิจัยเชิงประวัติศาสตร์เพื่อทำความเข้าใจวิธีการทำงานของ Octopus Suckers ให้ดียิ่งขึ้น

การทำความเข้าใจว่าการดูดใน Octopuses ทำงานอย่างไรเป็นประเด็นที่น่าสนใจสำหรับชุมชนวิทยาศาสตร์มานานแล้ว นักวิจัยรู้ดีว่าปลาหมึกยักษ์สามารถขยับหน่อของมันได้อย่างอิสระและจับวัตถุต่างๆ ได้ตามต้องการ 

เรียน ดำเนินการโดยนักวิจัยในลิวอร์โน เมื่อพิจารณาดูปลาหมึกยักษ์เมื่อกว่าทศวรรษก่อนแล้วพบว่า ด้านข้างและขอบของหน่อถูกสร้างขึ้นมาอย่างมีเอกลักษณ์- หน่อของพวกมันมีร่องเล็ก ๆ อยู่ตรงกลาง ซึ่งช่วยให้พวกมันสร้างผนึกที่แข็งแกร่งบนพื้นผิวขรุขระใต้น้ำได้ 

ร่องที่คล้ายกันสามารถเห็นได้ที่ส่วนบนด้วย ทำให้ได้ซีลที่มีประสิทธิภาพ แข็งแรง แต่แรงดันต่ำ 

ในขณะที่สอบถามเพิ่มเติมเกี่ยวกับปรากฏการณ์ความกดอากาศต่ำนี้ นักวิจัยก็พบข้อมูลเชิงลึกเพิ่มเติมเกี่ยวกับเครื่องดูด พวกเขาพบว่าแม้ว่าด้านข้างและขอบของตัวดูดจะนุ่ม แต่ด้านบนกลับแข็งกว่ามาก ความยืดหยุ่นที่น้อยลงนี้ ในทุกความเป็นไปได้ มีส่วนช่วยในการสร้างแรงดันต่ำในท้องถิ่น ซึ่งทำให้การยึดเกาะเหนือกว่า แข็งแกร่ง และมีประสิทธิภาพ 

นับตั้งแต่การค้นพบนี้ ได้มีการพูดถึงการเลียนแบบกลไกการดูดของ Octopus ในหุ่นยนต์ ตอนนี้เราเห็นความพยายามบรรลุผลแล้ว 

กลไกการดูดหลายจุดและวิธีที่มันแตก!

การวิจัยเสนอว่า   กลไกการดูดแบบ Muti-suction เหมือนปลาหมึกยักษ์ สามารถทำซ้ำได้ ผ่านการผสมผสานแบบอินทรีย์ของโครงสร้างทางกลและซีลน้ำที่ได้รับการควบคุม วัสดุอ่อนหลายชั้นที่โซลูชันหุ่นยนต์ใช้งานในขั้นแรกสร้างโครงสร้างเชิงกลที่หยาบบนซับสเตรต ซึ่งในที่สุดจะลดรูรั่วลงเหลือไมโครเมตร รูรับแสงขนาดไมครอนเหล่านี้ จากนั้นถูกปิดผนึก โดยการควบคุมการหลั่งน้ำจากระบบของไหลเทียม 

ผลกระทบในอนาคตของการวิจัยครั้งนี้

ในขณะที่เน้นย้ำถึงขอบเขตการใช้งานที่เป็นไปได้ นักวิจัยตั้งข้อสังเกตว่าการพัฒนานี้สามารถปูทางให้มือจับแบบหุ่นยนต์ที่สามารถใช้งานกับพื้นผิวแห้งที่ซับซ้อนที่หลากหลายได้ พวกเขาเน้นย้ำถึงความสำคัญของกลไกการดูดแบบปรับได้หลายระดับนี้ในการพัฒนากลยุทธ์การดูดแบบปรับตัวที่มีประสิทธิภาพและมีเอกลักษณ์เฉพาะตัวมากขึ้น ซึ่งอาจนำไปสู่กลไกการยึดเกาะที่นุ่มนวลและอเนกประสงค์เต็มรูปแบบ 

ในขณะที่ชี้ให้เห็นถึงการปรับปรุงที่โซลูชันนี้นำเสนอเหนือโซลูชันที่มีอยู่ Tianqi Yue กล่าวว่า:

“โซลูชันทางอุตสาหกรรมในปัจจุบันใช้ปั๊มลมแบบเปิดตลอดเวลา เพื่อสร้างการดูดอย่างแข็งขันแต่สิ่งเหล่านี้ทำให้เกิดเสียงดังและเปลืองพลังงาน” 

โซลูชั่นปัจจุบันไม่จำเป็นต้องใช้ปั๊มจึงเหนือกว่า และตามที่นักพัฒนาคาดหวังไว้ โซลูชันปัจจุบัน จะนำไปสู่การพัฒนาหุ่นยนต์จับยึดรุ่นใหม่ที่สามารถจับวัตถุรูปทรงต่างๆ ได้อย่างมีประสิทธิภาพ ทีมวิจัยกำลังวางแผนพัฒนาถ้วยดูดอัจฉริยะที่มีเซ็นเซอร์ฝังอยู่ภายใน ซึ่งสามารถควบคุมพฤติกรรมของถ้วยดูดได้อย่างมีประสิทธิภาพ

แม้ว่างานวิจัยนี้และแนวทางการแก้ปัญหาที่นำเสนอจะถือเป็นความก้าวหน้าอย่างแน่นอน แต่ชุมชนวิทยาศาสตร์และหุ่นยนต์ก็ได้รับแรงบันดาลใจจากปลาหมึกยักษ์มาโดยตลอด 

สิ่งมีชีวิตที่น่าทึ่งนั่นคือปลาหมึกยักษ์

โครงสร้างทางพันธุกรรมของปลาหมึกยักษ์นั้นมีเอกลักษณ์เฉพาะตัวจนแตกต่างอย่างมากจากสิ่งมีชีวิตเกือบทุกชนิดบนโลกนี้ ก การศึกษาดีเอ็นเอของปลาหมึกยักษ์ เผยว่าพวกมันมียีนประมาณ 33,000 ยีน มากกว่ามนุษย์ประมาณ 10,000 ยีน ต่างจากมนุษย์และสัตว์อื่นๆ ที่สามารถปรับปรุงรหัสพันธุกรรมได้ ปลาหมึกยักษ์มีความสามารถที่น่าทึ่งในการแก้ไข RNA ของตัวเอง 

มีความคล้ายคลึงกันบางอย่างกับมนุษย์เช่นกัน และความคล้ายคลึงกันเหล่านี้ช่วยให้พวกเขาฉลาดขึ้นเหมือนมนุษย์ 

ตัวอย่างเช่น ปลาหมึกยักษ์มีชุดของยีนที่มีลักษณะคล้ายมนุษย์ซึ่งมีส่วนช่วยในการสร้างโครงข่ายประสาทเทียมในสมองของพวกมัน โครงข่ายประสาทเทียมนี้ทำให้พวกเขาปรับตัวเข้ากับสถานการณ์ที่หลากหลายและเรียนรู้ได้รวดเร็ว นอกจากนี้ ความสามารถในการแก้ไข RNA ยังช่วยเพิ่มความสามารถในการปรับตัว ทำให้พวกเขาทนต่อความหนาวเย็นสุดขั้วของมหาสมุทรลึกได้ 

ดังที่เห็นได้ชัดเจน ปลาหมึกยักษ์มีสมองที่ใหญ่ และเช่นเดียวกับมนุษย์ พวกมันมีระบบไหลเวียนโลหิตแบบปิด ดวงตาที่มีการป้องกันม่านตา จอประสาทตา และเลนส์ 

ปลาหมึกยักษ์ยังมีความสามารถในการพรางตัวที่ดีที่สุดในระดับเดียวกันอีกด้วย ตอนนี้รหัสพันธุกรรมของพวกเขาได้แล้ว ได้รับการถอดรหัสจะง่ายกว่าสำหรับนักวิทยาศาสตร์ที่จะเข้าใจว่าพวกเขาบรรลุเป้าหมายนี้ได้อย่างไร พวกมันเปลี่ยนสีผิวในหน่วยมิลลิวินาที ซึ่งเป็นความสามารถที่นักประสาทวิทยา วิศวกรสิ่งทอ และวิศวกรโครงสร้างจะได้รับประโยชน์  

จิตใจของปลาหมึกยักษ์

ความฉลาดทางสรีรวิทยาของปลาหมึกยักษ์ โดยเฉพาะสมองขนาดใหญ่ ได้กระตุ้นให้นักวิทยาศาสตร์ศึกษากระบวนการรับรู้ของมันอย่างลึกซึ้งยิ่งขึ้น 

ในปี 2016 Peter Godfrey-Smith ศาสตราจารย์พิเศษด้านปรัชญาที่ Graduate Center, City University of New York และศาสตราจารย์ด้านประวัติศาสตร์และปรัชญาวิทยาศาสตร์ที่ University of Sydney ในออสเตรเลีย ได้ประพันธ์หนังสือชื่อ 'จิตใจอื่นๆ: ปลาหมึกยักษ์ ทะเล และต้นกำเนิดแห่งจิตสำนึกอันล้ำลึก’ ในนั้นเขาเขียนว่า:

“ปลาหมึกยักษ์และญาติของพวกมัน (ปลาหมึกและปลาหมึก) เป็นตัวแทนของเกาะแห่งความซับซ้อนทางจิตในทะเลของสัตว์ไม่มีกระดูกสันหลัง นับตั้งแต่ที่ฉันพบกับสิ่งมีชีวิตเหล่านี้ครั้งแรกเมื่อประมาณทศวรรษที่แล้ว ฉันรู้สึกทึ่งกับความรู้สึกผูกพันอันทรงพลังที่อาจเกิดขึ้นได้เมื่อมีปฏิสัมพันธ์กับพวกมัน”

ในหนังสือ ศาสตราจารย์ก็อดฟรีย์-สมิธเน้นย้ำว่าปลาหมึกยักษ์ทั่วไปมีเซลล์ประสาทประมาณ 500 ล้านเซลล์ในร่างกาย แม้ว่าจำนวนนี้จะน้อยกว่าที่มนุษย์มีเกือบแสนล้านตัวก็ตาม แต่ปลาหมึกยักษ์ก็ค่อนข้างฉลาด ในนั้นพวกเขา สามารถนำทางเขาวงกตธรรมดาๆ และใช้สัญญาณภาพอย่างมีประสิทธิภาพเพื่อแยกแยะสภาพแวดล้อมที่แตกต่างกันแต่คุ้นเคยสองแห่ง และใช้เส้นทางที่ดีที่สุด 

เป็นการผสมผสานระหว่างความฉลาดและเอกลักษณ์ทางสรีรวิทยาที่ทำให้หมึกยักษ์โดดเด่นกว่าคิว โดยพื้นฐานแล้ว สาขาวิทยาการหุ่นยนต์พยายามมาโดยตลอดเพื่อให้บรรลุถึงสถานะนี้ ซึ่งเครื่องมืออัจฉริยะจะทำงานที่ซับซ้อนให้สำเร็จได้ ไม่น่าแปลกใจเลยที่นักเรียนด้านวิทยาการหุ่นยนต์ได้สำรวจสิ่งมีชีวิตที่น่าทึ่งนี้อย่างต่อเนื่อง นอกเหนือจากนักวิจัยสถาบันแล้ว ยังมีบริษัทที่มีชื่อเสียงหลายแห่งที่มีบทบาทในสาขานี้ 

#1 เอบีบี

บริษัทหนึ่งที่ให้ความสนใจในการเลียนแบบความสามารถของปลาหมึกในผลิตภัณฑ์ของตนมาโดยตลอดคือ ABB ในปี 2018 ABB Technological Ventures ซึ่งเป็นหน่วยงานลงทุนร่วมทุนเชิงกลยุทธ์ของ ABB ได้ร่วมเป็นพันธมิตรกับ Soft Robotics ซึ่งเป็นบริษัทแยกตัวออกมาจาก Whitesides Group 

แรงบันดาลใจจาก การทำงานของหนวดปลาหมึกSoft Robotics พัฒนาแอคชูเอเตอร์หุ่นยนต์แบบอ่อนจากโพลีเมอร์ที่ทำงานโดยไม่จำเป็นต้องใช้เซ็นเซอร์หรืออุปกรณ์เครื่องกลไฟฟ้า บริษัทได้สร้างและฝังพลังการคำนวณลงในตัวมือจับโดยตรง และพัฒนาการผสมผสานวัสดุที่เป็นกรรมสิทธิ์เข้ากับช่องไมโครฟลูอิดิกที่เลียนแบบเนื้อเยื่ออ่อนของมือมนุษย์ 

การพัฒนาล่าสุดในการบูรณาการการดูดหลายขนาดเข้ากับหุ่นยนต์ขั้นสูงสามารถเพิ่มประสิทธิภาพและประสิทธิผลของเทคโนโลยีเหล่านี้ได้ 

ปลาหมึกยักษ์ซึ่งเป็นที่รู้จักในด้านสติปัญญาที่สูงกว่าและโครงสร้างดวงตาที่ซับซ้อนซึ่งคล้ายกับมนุษย์ ได้สร้างแรงบันดาลใจให้เกิดการพัฒนาที่สำคัญในวิทยาการหุ่นยนต์ ปีนี้, ABB เข้าซื้อกิจการ Sevensenseบริษัทเทคโนโลยีของสวิสที่เชี่ยวชาญในการเพิ่มความคล่องตัวของหุ่นยนต์อุตสาหกรรมโดยจัดเตรียมความสามารถด้านการมองเห็นและการรับรู้

ในปีงบประมาณ 2023 กลุ่ม ABB มีรายได้ 32.2 พันล้านดอลลาร์สหรัฐ- บริษัทยังได้ลงทุนอย่างมีนัยสำคัญเป็นมูลค่า 1.3 พันล้านดอลลาร์สหรัฐในด้านการวิจัยและพัฒนา ในขณะเดียวกัน อัตรากำไรจากการดำเนินงาน EBITA อยู่ที่เกือบ 17% 

#2 festo

ในอีกกรณีหนึ่ง ที่บริษัทหุ่นยนต์ชั้นนำได้แสดงความสนใจแล้วและอาจใช้ประโยชน์จากการดูดแบบหลายสเกลเพิ่มเติมเพื่อเพิ่มขีดความสามารถของพวกเขา เราจะมองไปที่บริษัทหุ่นยนต์ของเยอรมัน บอทของ Festo ได้รับแรงบันดาลใจจากปลาหมึกยักษ์. 

เดิมชื่อ OctopusGripper อุปกรณ์หุ่นยนต์นี้สามารถหยิบ ถือ และวางสิ่งของโดยใช้เครื่องดูดและอากาศร่วมกัน ตั้งแต่นั้นมาก็เปลี่ยนชื่อเป็น Tentacle Gripper บริษัทอธิบาย กริปเปอร์ไบโอนิคนี้เป็นโครงสร้างซิลิโคนอ่อนนุ่ม ที่ สามารถควบคุมด้วยระบบนิวแมติกได้- เมื่ออัดอากาศ จัดให้ด้ามจับสามารถโค้งงอเข้าด้านในได้ ทำให้สามารถพันรอบสิ่งของต่างๆ ได้อย่างปลอดภัย 

ตามโครงสร้างแล้ว กริปเปอร์มีถ้วยดูดสองแถวติดอยู่ที่ด้านในของหนวดซิลิโคน ถ้วยดูดขนาดเล็กจะถูกวางไว้ที่ปลายของมือจับ ทำให้เกิดเอฟเฟกต์แบบพาสซีฟ ในขณะที่ถ้วยดูดขนาดใหญ่ซึ่งขับเคลื่อนด้วยสุญญากาศ จะช่วยให้วัตถุยึดติดกับมือจับได้อย่างมั่นคง 

Festo ทดสอบหุ่นยนต์กับหุ่นยนต์น้ำหนักเบาแบบนิวแมติกสองตัวที่พัฒนาใน Bionic Learning Network ได้แก่ BionicMotionRobot และ BionicCobot เนื่องจากธรรมชาติของจลน์ศาสตร์ หุ่นยนต์ทั้งสองจึงมีความยืดหยุ่นและสามารถแข็งตัวได้ไม่สิ้นสุด 

ตั้งแต่ หนวดเทียมได้รับการพัฒนา จากวัสดุที่อ่อนนุ่มสามารถจับได้อย่างนุ่มนวลและนุ่มนวล บริษัทอ้างว่าโซลูชันนี้มีศักยภาพที่ดีสำหรับสถานที่ทำงานร่วมกันแห่งอนาคต 

หากพิจารณาในด้านรายได้ ปีงบประมาณ 2023 ถือเป็นปีแห่งการรวมบัญชีของบริษัท ตาม ถึงข่าวประชาสัมพันธ์ฉบับหนึ่งของ Festoโดยยอดขายที่บันทึกไว้นั้นอยู่ต่ำกว่าระดับของปีก่อนเล็กน้อย (—4.3% อยู่ที่ประมาณ 3.65 พันล้านยูโร) 

โดยไม่คำนึงถึงรายได้ที่ลดลงเล็กน้อย บริษัทอ้างว่ายังคงลงทุนอย่างหนักในการวิจัยและพัฒนาและการขยายอุปทานในตลาดภูมิภาค โดยเฉพาะอย่างยิ่ง บริษัทลงทุน 7.7% ของมูลค่าการซื้อขายในการวิจัยและพัฒนาในปี 2023 

เรื่อง หุ่นยนต์ การวาดแรงบันดาลใจจากอาณาจักรธรรมชาติและสัตว์

วันนี้เราได้พูดคุยกันถึงกรณีตัวอย่างหนึ่งของหุ่นยนต์ที่รับคำสั่งจากปากดูดของปลาหมึกยักษ์ อย่างไรก็ตาม เมื่อมองจากมุมมองที่กว้างขึ้น มันสามารถ รับสัญญาณจากโลกธรรมชาติทั้งหมด ล้อมรอบเรา และโครงการริเริ่มด้านหุ่นยนต์ที่ได้รับแรงบันดาลใจจากชีวภาพหลายโครงการได้เริ่มดำเนินการแล้วในสาธารณสมบัติ 

เช่น ในเดือนมกราคม 2024 งานวิจัยถูกตีพิมพ์ นำเสนอหุ่นยนต์ปลูกพืชอัตโนมัติที่ได้รับแรงบันดาลใจจากกลยุทธ์การปรับตัวตามพฤติกรรมของพืชเลื้อย เพื่อนำทางในสภาพแวดล้อมที่ไม่มีโครงสร้าง หุ่นยนต์เหล่านี้สามารถเลียนแบบยอดยอดของพืชเลื้อย เพื่อรับรู้และประสานงานการเจริญเติบโตแบบปรับตัวเชิงเสริมผ่านกลไกการผลิตแบบเติมแต่งที่ฝังอยู่ในตัวเครื่องและปลายยอดที่รับสัมผัสได้

การวิจัยที่สำคัญยังเกิดขึ้นในด้านวัสดุที่เข้ากันได้ด้วย การผลิตหุ่นยนต์แบบอ่อน- เมื่อสองสามปีก่อน ทีมงานของ มหาวิทยาลัยมินนิโซตาทวิน นักวิทยาศาสตร์และวิศวกรได้พัฒนากระบวนการที่ได้รับแรงบันดาลใจจากพืชเพื่อเพิ่มศักยภาพในการเติบโตของวัสดุสังเคราะห์ 

การขอ โซลูชันสามารถช่วยนักวิจัยได้ ผลิตหุ่นยนต์แบบอ่อนที่ได้รับการปรับปรุงซึ่งสามารถนำทางในภูมิประเทศที่ซับซ้อนได้ แม้กระทั่งภายในร่างกายมนุษย์ ตามที่ Matthew Hausladen ผู้เขียนบทความคนแรก นักวิจัยได้รับแรงบันดาลใจจริงๆ จากการเจริญเติบโตของพืชและเชื้อรา นักวิจัยกล่าวว่า:

“เรา (ทีมนักวิจัย) มีแนวคิดที่ว่าพืชและเชื้อราเพิ่มวัสดุที่ส่วนปลายของร่างกาย ไม่ว่าจะเป็นที่ปลายรากหรือที่หน่อใหม่ และเราก็แปลสิ่งนั้นเป็นระบบวิศวกรรม” 

โลกธรรมชาติมีประสบการณ์การเปลี่ยนแปลงและการเปลี่ยนแปลงมากมายเกินกว่าที่เราสามารถทำได้ อาจ ลองจินตนาการถึงสัตว์ต่างๆ ที่รอดชีวิตและปรับตัวได้เป็นเวลานับพันปี เราต้องศึกษาเทคนิคการปรับตัวที่น่าทึ่งของพวกเขาอย่างพิถีพิถันและสังเกตอย่างละเอียดยิ่งขึ้น การพยายามจำลองสิ่งเหล่านี้ด้วยจิตวิญญาณที่แท้จริงมักจะช่วยให้เราประสบความสำเร็จมากกว่าที่เราจินตนาการได้ในสาขาวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี 

คลิกที่นี่เพื่อดูรายชื่อบริษัทหุ่นยนต์ที่ดีที่สุด 10 แห่ง