Pagpapahusay ng Soft Robotics gamit ang ‘Embodied Energy’ Nagbubukas ng mga Bagong Posibilidad

Ang robotics ay isang mabilis na lumalagong merkado, tinantya na lalago mula $94.54 bilyon noong 2024 hanggang mahigitan ang $372.59 bilyon pagsapit ng 2034. 

Ang mga industriyal na robot ay kasalukuyang nangunguna sa paglago na ito. Ngayon, higit sa 3.4 milyong industriyal na robot ang nagtatrabaho upang gawing mas madali ang ating buhay. Ang mga industriyal na kumpanya ay nagbabalak ding mag-invest ng 25% ng kanilang kapital sa industriyal na awtomasyon sa susunod na limang taon.

Habang patuloy na sumisikat ang robotics, isang subfield ng robotics ang nakakakuha rin ng atensyon ng mga mananaliksik. Habang tumataas ang pangangailangan para sa mga robot sa mga aplikasyon na lampas sa industriyal na awtomasyon, ang subfield na soft robotics ay nakakakuha ng patuloy na interes.

Ang mga robot na ito ay ginagaya ang mga mekanismo ng paggalaw ng malambot at nababaluktot na katawan na matatagpuan sa kalikasan, tulad ng mga ahas, bulate, pating, pugita, at iba pa. 

Ang soft robotics ay kumukuha ng inspirasyon mula sa mga biyolohikal na estruktura ng mga malambot na katawan para sa kanilang makinis at komplikadong galaw. Sa halip na gumamit ng matitigas, metal na bahagi tulad ng tradisyonal na robot, ang mga soft robot ay karaniwang gawa sa nababaluktot na materyales tulad ng gel at goma. Ito ay nagbibigay-daan sa kanila na umangkop sa komplikadong kapaligiran at makipag-ugnayan sa mga tao nang ligtas.

Para sa kanilang pag-aktuwasyon, iba’t ibang paraan ang ginagamit, tulad ng init, mga signal na elektrikal, at pagpresurisa ng hangin, bukod pa sa iba. Ang mga pinagmumulan ng kanilang pag-aktibo ay karaniwang matatagpuan sa labas ng katawan ng robot at kumokontrol sa kanilang galaw.

Ang mga robot na ito ay nag-aalok ng mga benepisyo ng pagiging adaptable at pinahusay na kaligtasan. Ang paggamit ng flexible at magaan na materyal ay partikular na ginagawang angkop ang mga makinang ito para sa direktang pakikipag-ugnayan sa tao dahil nababawasan nito ang panganib ng pinsala. Ito ay lubos na kapaki-pakinabang sa mga aplikasyon tulad ng pangangalagang pangkalusugan at wearable technology.

Ang pagkakaroon ng flexible na mga kasukasuan at malambot na gripper ay nagpapahintulot sa mga robot na ito na yumuko, umikot, at mag-unat nang madali. Ang kakayahang magsagawa ng mga biyolohikal na galaw ay ginagawang angkop sila sa mga gawain na maaaring hindi ligtas para sa tao o nangangailangan ng mataas na antas ng kontrol. Ang kanilang estruktural na flexibility at dexterity ay nagbibigay-daan din sa kanila na magtrabaho sa paghawak ng mga marupok na bagay at pagsasagawa ng iba pang maselang gawain.

Ngunit siyempre, ang mga soft robot ay humaharap din sa mga hamon tulad ng limitadong lakas, mababang katumpakan, mababang tibay, kahirapan sa paggawa at pag-scale, at ang pangangailangan para sa mga advanced na algoritmo at malawak na mga sistema ng sensing.

Gayunpaman, dahil ang kakayahan ng mga soft robot ay malapit na tumutugma sa mga malambot na organismo sa kalikasan, sila ay isang pangakong tampok sa iba’t ibang larangan tulad ng pangangalagang pangkalusugan, agrikultura, paghahanap at pagsagip, at eksplorasyon sa kalawakan.

Ilang pangakong soft robot ay na-develop na. Halimbawa, ang tentacle robot ng Harvard, na may jellyfish-like na malambot na gripper na maingat na humahawak ng marupok na mga bagay sa pamamagitan ng paggaya sa mekaniks ng kulot na buhok.

Sa larangan ng pangangalagang pangkalusugan, ang K-FLEX mula sa Korea Advanced Institute of Science and Technology ay may kakayahang magsagawa ng scar-free na endoscopic surgery, at ang bionic heart ng MIT ay makakatulong sa mga propesyonal sa medisina na pag-aralan ang mga sakit sa cardiovascular at tukuyin ang pinakamainam na kurso ng paggamot para sa mga pasyente.

Ang mga soft robot ay ginagamit din upang mag-explore ng mga karagatan. Ilang taon na ang nakalipas, nagpakita ang mga mananaliksik na Tsino ng self-powered na soft robot na kayang maabot ang pinakamalalim na punto — ang Mariana Trench. Sa usapin ng paggalugad sa kalawakan, ang mga soft robot na sinusuportahan ng NASA ay maaaring mag-navigate sa mabuhanging teritoryo at maaaring isang araw ipadala upang tuklasin ang mga buwan ng Jupiter.

Habang umuunlad ang pananaliksik sa paligid ng mga soft robot, maaari pa silang asahan na palitan ang mga matitigas na robot sa iba’t ibang aplikasyon. 

Ang Ebolusyon ng mga Uri ng Soft Robot

Isang bagong pag-aaral mula sa Cornell Engineering ang nagpakita ng untethered na terrestrial crawling robot na may integrated modular power system sa buong malambot nitong katawan. 

Bago likhain ang worm robot na ito, ang Lab ay gumawa ng jellyfish robot kasama ang Archer Group ng Cornell Engineering. Pareho silang direktang inapo ng isang aqueous soft robot na ipinakita anim na taon ang nakalipas. 

Kaya, noong 2019, ipinakita ng mga mananaliksik ng Cornell University ang isang papel¹ na tinatawag na “Electrolytic vascular systems for energy-dense robots.” Ang sistema, na gumaya sa redox flow batteries, ay pinagsama ang mga tungkulin ng hydraulic force transmission, actuation, at energy storage sa isang disenyo na nagtaas ng energy density ng robot upang payagan ang operasyon hanggang 36 na oras. 

Para dito, kumuha ng inspirasyon ang mga mananaliksik mula sa lionfish, na gumagamit ng undulating fanlike fins upang lumipad sa mga coral-reef na kapaligiran.

Noong panahong iyon, binanggit ng mga mananaliksik na “ang paggamit ng electrochemical energy storage sa hydraulic fluids ay maaaring magpadali ng pagtaas ng energy density, autonomy, efficiency, at multifunctionality sa mga hinaharap na disenyo ng robot.”

Ilang buwan na ang nakalipas, isang bagong papel², “The multifunctional use of an aqueous battery for a high capacity jellyfish robot,” ay inilabas. Sa pagkakataong ito, isang RFB ay binuo sa hugis ng jellyfish, na nagbibigay ng multifunctional na paggamit ng enerhiya. 

Ang mga jellyfish ay karamihan gawa sa isang substansiya na tinatawag na “mesoglea,” na nagsisilbing internal skeleton. Ang materyal na ito ay nagpapalambot sa katawan ng jellyfish at tumutulong na maibalik ang hugis nito matapos mag-deform dahil sa pag-urong ng kalamnan. Ang mesoglea ay binubuo ng mga microfibrils na naglalaman ng fibrillin na ginagamit ng jellyfish upang paganahin ang kalamnan nito pati na rin upang makagalaw at kumain.

Ang robot ay pinapagana lamang ng mga RFB na may pinataas na volumetric at areal energy density, na nagreresulta sa mahabang operational lifetime para sa mga UUV na binubuo pangunahing ng likido, na electrochemically energy-dense.

Ngayon, ang pananaliksik³ ay higit pang umunlad, katulad ng pag-unlad ng buhay sa lupa, na pinasigla ng pag-unlad at disenyo ng baterya.

Ayon kay Rob Shepherd, propesor ng mechanical at aerospace engineering, na nanguna sa nakaraang proyekto at sa bagong proyektong ito:

“Ganito umunlad ang buhay sa lupa. Nagsisimula ka sa isda, pagkatapos ay nakakakuha ka ng simpleng organismo na sinusuportahan ng lupa. Ang uod ay isang simpleng organismo, ngunit ito ay may mas maraming degrees of freedom.”

Ang parehong “robot blood,” i.e., ang hydraulic fluid na nag-iimbak ng enerhiya at nagpapatakbo ng mga aplikasyon ng mga nakaraang robot, ay sumusuporta rin sa bagong species ng robot. Sa pagkakataong ito, gayunpaman, mas pinabuti ng mga mananaliksik ang disenyo upang makamit ang mas malaking kapasidad ng baterya at power density.

Ang jellyfish, ayon kay Shepherd, ay may mas malaking kapasidad para sa bigat nito. Ito ay nagpalawig ng tagal ng oras na maaaring maglakbay ang robot fish, na mas mahaba kaysa sa totoong isda. Ngayon, ang kanilang unang bersyon sa ibabaw ng lupa ay ang uod, na tumatanggap ng buoyant support kapag nasa ilalim ng tubig at hindi nangangailangan ng skeleton, na nangangahulugang hindi ito kailangang maging matigas.

I-click dito upang malaman kung ang ceramic ay susi sa pagpapalawak ng mga pandama sa soft robotics.

Ang Embodied Energy na Nagpapalakas sa mga Soft Robot

Habang lumalaki ang pangangailangan para sa mas mataas na agility sa robotics, tataas din ang kanilang komplikasyon. Ito ay nangangahulugang pagtaas ng densidad ng sensing at degrees of freedom (DoF), na siyang independiyenteng paggalaw ng isang bagay.

Bilang resulta, ang konsumo ng kuryente ng mga robot ay malamang na tumaas din, na ginagawa ang kapasidad ng enerhiya na mahalagang isaalang-alang.

Dito pumapasok ang embodied energy. Ito ay isang disenyo na estratehiya na nagpapabuti sa antas ng energy density ng sistema sa pamamagitan ng multifunctional na paggamit ng mga nakabaong pinagmumulan ng enerhiya. Ang pamamaraang ito ay essentially nag-iintegrate ng mga power source sa katawan ng makina, na nagpapababa ng gastos at timbang nito.

Ang modelar worm robot na ginawa ng Organic Robotics Lab at ang kanilang jellyfish ay parehong nagpapakita ng mga benepisyo ng ’embodied energy.’ 

Sa pamamagitan ng pag-embed ng enerhiya na nakaimbak sa mga baterya sa isang integral na bahagi ng estruktura at makinarya ng robot, nagawa ng mga mananaliksik na makamit ang mas magagandang resulta. Binanggit ng pag-aaral:

“Ang pag-embed ng power source sa mga motor-driven tendon actuator modules ay nagbibigay ng isang artipisyal na muscle unit na maaaring i-assemble sa mga robot na kayang magtrabaho nang matagal at kapaki-pakinabang.”

Parehong robot ay may tampok na redox flow battery (RFB), na isang uri ng electrochemical system na nag-iimbak ng enerhiya mula sa dalawang kemikal na sangkap na natunaw sa likido. 

Sa kaso ng robot na hugis jellyfish, ang RFB ay ginawa gamit ang isang tendon. Kapag hinila ang tendon, binabago nito ang hugis ng kampana at itinutulak ang nilalang pataas, bumababa muli kapag nag-relax ang kampana. 

Higit pa rito, ang jellyfish robot ay may pares ng redox batteries: zinc iodide (ZnI2) at zinc bromide (ZnBr2). Ang bromine ay idinagdag sa iodine sa isa sa mga baterya upang mapabuti ang ion transport, na nagtaas ng kapasidad ng baterya at power density. Bilang resulta, ang jellyfish robot ay naging mas mabilis at mas agile, na may operational lifetime na humigit-kumulang 90 minuto.

Ngayon, upang maiwasan ang problema ng dendrite buildup sa mga electrical substrate ng mga baterya, na humaharang sa kanilang pag-charge at pag-discharge, gumamit ang mga mananaliksik ng graphene. Ang pag-aapply ng graphene ay nagbigay-daan sa kanila na mas mahusay na i-match ang mga crystal plane at mas pantay na plating ng zinc. 

Ang worm robot ay may compartmentalized na disenyo. Ang katawan ng uod ay isang serye ng magkakaugnay na pods, kung saan bawat isa ay naglalaman ng motor at tendon actuator upang payawan ang uod na i-compress at i-expand ang hugis nito. Ang bawat pod ay naglalaman din ng isang stack ng anolyte pouches na nakalublob sa catholyte.

Isang mahalagang elemento ng disenyo ay ang paggamit ng dry-adhesion method upang awtomatikong idikit ang mga Nafion separator sa silicone-urethane copolymer na katawan ng uod. Ang separator ay pinaghihiwalay ang anolytes at catholytes habang pinapayagan ang charge na lumipat sa pagitan nila, na nagdadala ng mga electron sa motor.

“Maraming robot ang pinapagana ng hydraulic, at kami ang unang gumamit ng hydraulic fluid bilang baterya, na nagpapababa ng kabuuang timbang ng robot, dahil ang baterya ay nagsisilbing dalawang layunin, nagbibigay ng enerhiya para sa sistema at nagbibigay ng puwersa para ito ay gumalaw. Kaya maaari kang magkaroon ng mga bagay tulad ng uod, kung saan halos lahat ng enerhiya ay galing dito, kaya maaari itong maglakbay ng malalayong distansya.”

– Shepherd

Sa pagsubok ng worm robot, natuklasan ng mga mananaliksik na kaya nitong mag-advance sa lupa pati na rin umakyat at bumaba sa isang patayong tubo. Bagaman ang robot uod ay maaaring mag-navigate sa isang nakapaloob, kurbadang daan at umakyat at bumaba, ito ay medyo mabagal, bagaman mas mabilis kaysa sa ibang hydraulically powered na worm bots. Sa isang charge, ang uod ay tumatagal ng 35 oras upang maglakbay ng 105 metro.

Ayon sa mga mananaliksik, ang uod ay maaaring magamit sa pag-explore ng mga limitadong kapaligiran tulad ng mahahaba at makitid na pasilyo at posibleng magsagawa ng mga pag-aayos. Samantala, ang jellyfish ay maaaring magamit sa pag-explore ng karagatan. 

Suportado ng Office of Naval Research at ng Basic Energy Sciences Program ng Department of Energy, ang pananaliksik na ito ay simula pa lamang, dahil ang pokus ng kanilang hinaharap na trabaho ay sa isang ganap na liquid na RFB. Binanggit ng pag-aaral na ang polysulfide-iodide battery, na may mataas na energy density at mababang gastos, ay may malaking pangako para sa mga aplikasyon ng soft robotics.

Sa huli, layunin ng koponan na bumuo ng mga high-capacity, embodied energy na robot. Ang mga hinaharap na robot na ito ay magkakaroon din ng skeleton at maaaring maglakad, na nagreresulta sa mga robot na kahawig ng tao.

“Isang hindi perpektong organismo. Ngunit maganda pa rin ang performance.”

– Shepherd

Mga Kumpanyang May Kinalaman

Ngayon, tingnan natin ang ilang pampublikong kompanya na tumutulong sa pag-unlad ng larangan ng robotics. 

1. iRobot Corporation

Isang pandaigdigang consumer robot company, ang iRobot ay kasangkot sa pagdidisenyo, paggawa, at pagbebenta ng matitibay na robot. Kabilang sa mga produkto nito ang Roomba, Braava, at Root. Nakapagbenta na ang iRobot ng sampu-sampung milyong robot sa buong mundo.

Sa market capitalization na $231 milyon, ang iRobot stocks ay kasalukuyang nagte-trade sa $7.59, bumaba ng 2.45% YTD. Ang EPS (TTM) nito ay -4.60, habang ang P/E (TTM) ratio ay -1.64.

Kamakailan, iniulat ng kumpanya ang paunang financial results para sa ika-apat na quarter ng 2024, kung saan inaasahan nito ang kita na $171 milyon at GAAP operating loss na $59 milyon. Inaasahan din nito na ang cash at cash equivalents sa katapusan ng fiscal 2024 ay nasa humigit-kumulang $134 milyon.

Ayon sa CEO na si Gary Cohen, ang mga resulta ay “nagpapakita ng mas mataas kaysa inaasahang seasonal promotional spending upang pasiglahin ang sell-through bago ang aming 2025 na paglulunsad ng mga bagong produkto.” Ibinahagi rin niya na ang iRobot ay “fundamentally changed the way we innovate, develop and build our robots,” at na ang mga planadong paglulunsad ng produkto na “dinisenyo upang pasiglahin ang mga consumer gamit ang feature-rich na mga robot at pagbutihin ang consumer product experience” ay nasa tamang landas na ilunsad ngayong taon.

2. Teradyne

Isang pandaigdigang supplier ng automated test equipment at robotics solutions, ang Teradyne ay nagpapatakbo sa pamamagitan ng apat na segment na nakatuon sa semiconductors, wireless products, mga sistema na sumasaklaw sa storage, aerospace, at circuit board, at robotics, na sumasaklaw sa robotic arms, autonomous mobile robots, at advanced robotic control software.

Ang kumpanya ay nag-deploy ng higit sa 80,000 advanced robotic systems sa buong mundo at nag-invest ng higit sa $700 milyon sa advanced robotics at automation. Ang mga MiR robot ng Teradyne ay nagpapasimple ng internal transportation at material handling, habang ang mga cobot nito ay sumusuporta sa malawak na hanay ng mga aplikasyon. Ang mga automation solution nito ay nagbibigay-daan sa mga negosyo na mapabuti ang operational efficiency sa pamamagitan ng pag-integrate ng kapangyarihan ng mga makina.

Sa market capitalization na $18.74 bilyon, ang Teradyne stocks ay kasalukuyang nagte-trade sa $116, bumaba ng 8.61% YTD. Ang EPS (TTM) nito ay 3.32, habang ang P/E (TTM) ratio ay 34.68. Ang kumpanya ay nagbabayad ng dividend yield na 0.42%.

Para sa Q4 ng 2024, iniulat ng kumpanya ang kita na $753 milyon, kung saan $98 milyon ay mula sa Robotics habang ang natitira ay mula sa semiconductor segment. Ang GAAP net income para sa quarter ay $146.3 milyon o $0.90 bawat diluted share.

Ayon kay CEO Greg Smith, ang paglago ay dahil sa malakas na AI compute at kaugnay na memory habang ang Mobile at Auto/Industrial ay lumagpas sa inaasahan. Inaasahan ang pagbilis ng kita para sa taong ito, kung saan plano ng Teradyne na strategic na i-realign ang kanilang Robotics business upang mapabuti ang karanasan ng customer at itulak ang operational efficiency.

3. Zimmer Biomet

Isang pandaigdigang medical technology company, ang Zimmer Biomet (ZBH ) ay kasangkot sa biologics, sports medicine, extremities, trauma products, surgical products, at isang hanay ng robotic technologies na gumagamit ng data, data analytics, at AI. 

Sa market capitalization na $22 bilyon, ang Zimmer Biomet stocks ay kasalukuyang nagte-trade sa $110.10, tumaas ng 4.72% YTD. Ang EPS (TTM) nito ay 5.25, habang ang P/E (TTM) ratio ay 21.07. Ang kumpanya ay nagbabayad ng dividend yield na 0.87%.

Para sa Q3 2024, iniulat ng kumpanya ang net sales na $1.824 bilyon, na 4% na pagtaas kumpara sa nakaraang taon, habang ang net earnings ay $249.1 milyon. Ang diluted earnings per share para sa quarter ay $1.23, habang ang adjusted diluted earnings per share ay $1.74. Bilang pagsunod sa “strong performance,” sinabi ni CEO Ivan Tornos na ipagpapatuloy nila ang pagpapalawak ng kanilang “misyon na tulungan ang milyun-milyong tao na maibsan ang sakit at mapabuti ang kalidad ng kanilang buhay.” 

Sa panahong ito, nakuha ng kumpanya ang OrthoGrid Systems, isang medical technology company na nakatuon sa AI-driven surgical guidance systems para sa total hip replacement. Nakaayos na rin itong kunin ang Paragon 28 , isang medical device company, sa isang $1.1 bilyong kasunduan para sa paggamot ng mga sakit sa paa at bukung-bukong.

Konklusyon

Habang tumataas ang pangangailangan para sa automation at kahusayan, tumataas din ang kasikatan ng robotics. Sa harap ng matinding paglago, ang subfield ng soft robotics ay nakakaranas ng maraming inobasyon, na nagbubukas ng mga bagong aplikasyon sa pangangalagang pangkalusugan, eksplorasyon, at industriyal na awtomasyon. 

Ang ebolusyon ng soft robotics—na pinagsasama ang adaptability na inspirasyon ng mga buhay na organismo sa embodied energy—ay may potensyal na sa wakas mapagtagumpayan ang matagal nang limitasyon sa tibay at kahusayan ng enerhiya. Habang ang mga mananaliksik, suportado ng mga inisyatibo ng gobyerno, ay patuloy na pinapahusay ang disenyo ng robot at mga multifunctional na pinagmumulan ng enerhiya, ang mga makinang ito ay unti-unting nagiging realidad, na nagpapabuti sa accessibility, kahusayan, at kaligtasan.

I-click dito upang malaman kung paano makikinabang ang soft robotics mula sa foam fluidics.