An engem grousse Fortschrëtt an der Robotik, Roboter mat "mëll" mënschlech-ähnlechen Muskelen goufen erfollegräich fir d'éischte Kéier entworf. Esou mëll Robotere kënnen e Boon sinn fir mënschlech frëndlech Roboteren an Zukunft ze designen.
Roboter si programméierbar Maschinnen déi routinéiert an industriellen Uwendungen benotzt ginn, zum Beispill als Deel vun der Automatioun, besonnesch Fabrikatioun, well se entwéckelt sinn fir gutt bei repetitive Aufgaben ze sinn déi vill Kraaft a Kraaft erfuerderen. Roboteren interagéiere mat der kierperlecher Welt iwwer Sensoren an Aktuatoren an hinnen a si sinn reprogramméierbar, wat se méi nëtzlech a flexibel mécht wéi routinéiert Single-Funktioun Maschinnen. Et ass offensichtlech aus der Aart a Weis wéi dës Roboter entworf sinn fir d'Aarbecht ze maachen datt hir Beweegunge extrem steif sinn, heiansdo ruckeleg, Maschinnähnlech a si schwéier, imposant a si sinn net nëtzlech wann eng bestëmmten Aufgab variabel Kraaftbetrag zu enger anerer Zäit erfuerdert. Punkten. Roboter sinn och heiansdo geféierlech a kënnen sécher Gehäuse brauchen well se net sensibel op hir Ëmgéigend sinn. D'Feld vun der Robotik exploréiert eng Vielfalt vun Disziplinnen fir ze designen, bauen, programméieren an effizient Robotermaschinnen a verschiddene Beräicher vun der Industrie a medizinescher Technologie mat verschiddenen Ufuerderungen ze benotzen.
An de rezenten Zwillingsstudien, gefouert vum Christoph Keplinger, hunn d'Fuerscher Roboter mat enger neier Klass vu Muskelen ugepasst, déi ganz ähnlech wéi eis mënschlech Muskelen sinn a si besëtzen a projizéieren Kraaft a Sensibilitéit grad wéi mir. Déi zentral Iddi ass méi "natierlech"Beweegunge fir d'Maschinn dh Roboteren. 99.9 Prozent vun all Roboteren haut si steif Maschinnen aus Stol oder Metall, wärend e biologesche Kierper mëll ass awer onheemlech Fäegkeeten huet. Dës Robotere mat "mëll" oder "méi richteg" Muskele kënne passend entworf ginn fir routinéiert a delikat Aufgaben ze maachen (déi mënschlech Muskelen all Dag ausféieren), zum Beispill just eng mëll Uebst opzehuelen oder en Ee an engem Kuerf ze setzen. Am Verglach mat traditionelle Roboteren, Roboteren ausgestatt mat 'kënschtlech Muskelen' wäert wéi eng 'méi mëll' Versioun vu sech selwer a méi sécher sinn a si kënnen dann personaliséiert ginn fir bal all Aufgab an der Noperschaft vu Leit auszeféieren, suggeréiert verschidde méiglech Uwendungen verbonne mat a ronderëm mënschlecht Liewen. Soft Robotere kënnen als "kollaborativ" Roboter bezeechent ginn, well se eenzegaarteg entworf sinn fir eng bestëmmten Aufgab op eng ganz ähnlech Manéier wéi e Mënsch auszeféieren.
Fuerscher hu probéiert mëll Muskelroboter ze kreéieren. Esou engem Roboter wäert eng mëll verlaangen Fleesch Technologie fir d'mënschlech Muskelen ze imitéieren an zwou sou Technologien goufen vu Fuerscher probéiert - pneumatesch Aktuatoren an dielektresch Elastomer Aktuatoren. Den 'Actuator' gëtt definéiert als den aktuellen Apparat deen de Roboter bewegt, oder de Roboter weist eng bestëmmte Bewegung. A pneumatesch Aktuatoren gëtt e mëllen Pouch mat Gasen oder Flëssegkeeten gepompelt fir eng bestëmmte Bewegung ze kreéieren. Dëst ass einfachen Design awer ëmmer nach mächteg obwuel d'Pumpen onpraktesch sinn a si hunn voluminöse Reservoiren. Déi zweet Technologie - dielektresch Elastomer Aktuatoren benotzen d'Konzept fir en elektrescht Feld iwwer eng isoléierend flexibel Plastik opzebréngen fir et ze deforméieren an doduerch eng Bewegung ze kreéieren. Dës zwou Technologien eleng sinn nach net erfollegräich gewiescht, well wann e Stroumschraube duerch de Plastik passéiert, dës Geräter schlecht ausfalen an domat net resistent géint mechanesch Schued sinn.
Méi "Mënsch wéi" Roboter mat ähnlechen Muskelen
An den Zwillingsstudien gemellt am Science1 an Wëssenschaft nächst Joer2, Fuerscher hunn déi positiv Aspekter vun den zwou verfügbare Softmuskeltechnologien geholl an en einfachen mëllen Muskelähnlechen Aktuator erstallt, deen Elektrizitéit benotzt fir d'Bewegung vu Flëssegkeeten a klenge Poschen z'änneren. Dës flexibel Polymerbeutel enthalen eng Isoléierflëssegkeet, zum Beispill e reguläre Ueleg (Geméisöl oder Canola Ueleg) aus dem Supermarché, oder all ähnlech Flëssegkeet kann benotzt ginn. Soubal d'Spannung tëscht den Hydrogelelektroden, déi tëscht den zwou Säiten vum Pouch plazéiert goufen, applizéiert gouf, goufen d'Säiten openee gezunn, Uelegkrampf fënnt statt, dréckt d'Flëssegkeet dran an doduerch datt se an der Pouch ronderëm fléisst. Dës Spannung entsteet eng kënschtlech Muskelkontraktioun a wann de Stroum ofgeschnidden ass, entspaant den Ueleg erëm, imitéiert eng kënschtlech Muskel Entspanung. Den Aktuator ännert Form op dës Manéier, an den Objet deen mam Aktuator verbonne ass weist eng Bewegung. Dofir kontraktéiert dës "kënschtlech Muskel" a befreit (flex) direkt a Millisekonnen op déiselwecht Manéier a mat der selwechter Präzisioun a Kraaft vun echte Skelett-mënschleche Muskelen. Dës Beweegunge kënne souguer d'Geschwindegkeet vun de mënschleche Muskelreaktiounen schloen, well mënschlech Muskele gläichzäiteg mam Gehir kommunizéieren, wat e Verzögerung verursaacht, awer net bemierkbar. Dofir, duerch dësen Design, gouf e flëssege System erreecht deen direkt elektresch Kontroll huet, déi Villsäitegkeet an héich Leeschtung huet.
An der éischter Etude1 in Science, Aktuatoren goufen an der Form vun engem Donut entworf a si haten d'Fäegkeet an d'Geschécklechkeet fir e Himbeer duerch e Roboter Gripper opzehuelen an ze halen (an d'Fruucht net explodéieren!). De méigleche Schued, deen duerch e Bolzen aus Elektrizitéit gemaach gouf wann se duerch d'Isoléierflëssegkeet passéiert ass (e grousst Thema mat de virdru entworfenen Aktuatoren) gouf och am aktuellen Design gekëmmert an all elektresche Schued gouf selwer geheelt oder direkt reparéiert duerch just nei. Flëss vu Flëssegkeet an de "beschiedegten" Deel duerch en einfache Prozess vun der Ëmverdeelung. Dëst gouf un d'Benotzung vu flëssege Material zougeschriwwen, wat méi elastesch ass, amplaz vun enger zolitter Isoléierschicht, déi a ville fréiere Designen benotzt gouf an déi direkt beschiedegt gouf. An dësem Prozess huet de kënschtlechen Muskel méi wéi eng Millioun Kontraktiounszyklen iwwerlieft. Dëse speziellen Aktuator, deen Donut geformt ass, konnt einfach en Himbeer picken. Ähnlech, andeems d'Form vun dësen elastesche Poschen ugepasst ass, hunn d'Fuerscher eng breet Palette vun Aktuatoren mat eenzegaartege Bewegungen erstallt, zum Beispill souguer e fragilt Ee mat Präzisioun a genau erfuerderlecher Kraaft opzehuelen. Dës flexibel Muskelen goufen als "Hydraulically-amplified Self-healing Electrostatic" actuators oder HASEL actuators bezeechent.An enger zweeter Etude2 publizéiert Science Robotics,Déi selwecht Team huet weider zwee aner mëll Muskelentwécklungen erstallt, déi linear kontraktéieren, ganz ähnlech wéi e mënschleche Bizeps, sou datt se d'Fäegkeet hunn ëmmer erëm Objeten méi schwéier ze hiewen wéi hiren eegene Gewiicht.
A Déi allgemeng Meenung ass datt zënter Roboter Maschinnen sinn, sou datt se sécherlech e Virdeel iwwer d'Mënsche musse hunn, awer wann et ëm déi erstaunlech Fäegkeeten kënnt, déi eis vun eise Muskelen ubidden, kann een einfach soen datt Roboter am Verglach blénken. De mënschleche Muskel ass extrem mächteg an eise Gehir huet eng aussergewéinlech Quantitéit u Kontroll iwwer eis Muskelen. Dëst ass de Grond datt mënschlech Muskele fäeg sinn komplizéiert Aufgaben mat Präzisioun auszeféieren, zB Schreiwen. Eis Muskelen kontraktéieren ëmmer erëm a relaxen wann Dir eng schwéier Aufgab maacht an et gëtt gesot datt mir tatsächlech nëmmen ongeféier 65 Prozent Kapazitéit vun eise Muskelen benotzen an dës Limit ass haaptsächlech vun eisem Denken gesat. Wa mir eis e Roboter kënne virstellen, dee mënschlech wéi mëll Muskelen huet, da wieren d'Kraaft an d'Fäegkeeten enorm. Dës Studien ginn als éischte Schrëtt ugesinn fir en Aktuator z'entwéckelen, deen enges Daags déi enorm Fäegkeete vun echte biologesche Muskelen erreechen kéint.
Kënschtlech "mëll" Robotik
D'Auteuren soen datt Materialien wéi d'Kartoffelchips-Polymerbeutel, Ueleg a souguer Elektroden bëlleg sinn a liicht verfügbar an d'Käschte vun nëmmen 0.9 USD (oder 10 Cent). Dëst ass encouragéierend fir aktuell industriell Fabrikatiounseenheeten a fir Fuerscher hir Expertise weiderzebréngen. D'Materialien, déi bëlleg sinn, sinn skalierbar a kompatibel mat aktuellen Industriepraktiken an esou Geräter kéinte fir eng Zuel vun Uwendungen benotzt ginn wéi prothetesch Geräter, oder als mënschleche Begleeder. Dëst ass e besonnesch interessanten Aspekt, well de Begrëff Robotik ëmmer mat héije Käschten gläichgestallt gëtt. En Nodeel, deen mat sou kënschtlechen Muskelen assoziéiert ass, ass déi grouss Quantitéit un Elektrizitéit, déi fir seng Operatioun erfuerderlech ass an et gëtt och Chancen ze verbrennen, wann de Roboter ze vill vu senger Kraaft reservéiert. Soft Robotere si vill méi delikat wéi hir traditionell Roboterkollegen, déi hiren Design méi usprochsvoll maachen, zum Beispill Méiglechkeete fir ze punktéieren, Kraaft ze verléieren an den Ueleg ze verspillen. Dës mëll Roboter brauchen definitiv eng Aart vu selbstheilenden Aspekt, wéi vill e puer mëll Roboter scho maachen.
Effizient a robust mëll Robotere kënne ganz nëtzlech sinn am Mënscheliewen well se d'Mënsche ergänzen a mat hinnen schaffen wéi "kollaborativ" Roboteren anstatt Roboteren déi d'Mënschen ersetzen. Och traditionell prosthetesch Waffen kéinte méi mëll, agreabel a sensibel sinn. Dës Studien si villverspriechend a wann déi héich Nofro u Kraaft kéint ugepaakt ginn, huet et d'Potenzial fir d'Zukunft vu Roboteren ze revolutionéieren wat hiren Design ugeet a wéi se bewegen.
***
Source (en)
1. Acome et al. 2018. Hydraulesch verstäerkte selbstheilende elektrostatesch Aktuatoren mat Muskelähnlechen Leeschtung. Wëssenschaft. 359 (6371). https://doi.org/10.1126/science.aao6139
2. Kellaris et al. 2018. Peano-HASEL actuators: Muskel-mimetic, elektrohydraulesch transducers datt linear Kontrakt op Aktivatioun. Science Robotics. 3 (14). https://doi.org/10.1126/scirobotics.aar3276
***
