Мягкая робототехника
Soft Robotics — это специфическое подполе робототехники, занимающееся построением роботов из высокоустойчивых материалов, аналогичных тем, которые встречаются в живых организмах.
Мягкая робототехника сильно опирается на то, как живые организмы двигаются и адаптируются к их окружению. В отличие от роботов, изготовленных из жестких материалов, мягкие роботы позволяют повысить гибкость и адаптируемость для выполнения задач, а также повысить безопасность при работе с людьми. Эти характеристики позволяют использовать его в области медицины и производства.
Типы и конструкции
Основная часть области мягкой робототехники основана на конструкции и конструкции роботов, изготовленных полностью из совместимых материалов, причем конечный результат похож на беспозвоночных, таких как черви и осьминоги. Движение этих роботов трудно моделировать, поскольку к ним применяется механика непрерывности, и их иногда называют сплошными роботами. Soft Robotics — это специфическое подразделение робототехники, занимающееся построением роботов из высокоустойчивых материалов, аналогичных тем, которые встречаются в живых организмах. Аналогичным образом, мягкая роботизация также сильно зависит от того, как эти живые организмы движутся и адаптируются к их окружению.Это позволяет ученым использовать мягкие роботы для понимания биологических явлений с использованием экспериментов, которые нелегко выполнить на оригинальных биологических аналогах. В отличие от роботов, изготовленных из жестких материалов, мягкие роботы позволяют повысить гибкость и адаптируемость для выполнения задач, а также повысить безопасность при работе с людьми. Эти характеристики позволяют использовать его в области медицины и производства. Тем не менее, существуют жесткие роботы, которые также способны к деформациям континуума, прежде всего роботу-змеевику.
Кроме того, некоторые мягкие роботизированные механизмы могут использоваться как кусок в более крупном, потенциально жестком роботе. Для захвата и манипулирования объектами существуют мягкие роботизированные концевые эффекторы, и они имеют преимущество в том, что создают низкую силу, которая хороша для хранения деликатных объектов, не разбивая их.
Кроме того, гибридные мягкие жесткие роботы могут быть построены с использованием внутреннего жесткого каркаса с мягкими экстерьерами для обеспечения безопасности. Мягкий внешний вид может быть многофункциональным, так как он может действовать как приводы для робота, похожие на мышцы позвоночных, так и в качестве дополнения в случае столкновения с человеком.
Biomimicry
Растительные клетки могут по своей природе производить гидростатическое давление из-за градиента концентрации растворенного вещества между цитоплазмой и внешней средой (осмотический потенциал). Кроме того, растения могут регулировать эту концентрацию через движение ионов через клеточную мембрану. Затем это изменяет форму и объем установки, поскольку она реагирует на это изменение гидростатического давления. Эта эволюция формы, вызванная давлением, желательна для мягкой робототехники и может быть эмулирована для создания адаптивных материалов с давлением посредством использования потока текучей среды. Следующее уравнение моделирует скорость изменения объема ячейки:
Этот принцип был использован при создании систем давления для мягкой робототехники. Эти системы состоят из мягких смол и содержат несколько флюидных мешков с полупроницаемыми мембранами. Полупроницаемость позволяет транспортировать жидкость, что затем приводит к генерации давления. Такое сочетание переноса жидкости и генерации давления приводит к изменению формы и объема.
Другим биологически присущим механизмом изменения формы является изменение гигроскопической формы. В этом механизме клетки растений реагируют на изменения влажности. Когда окружающая атмосфера имеет высокую влажность, растительные клетки набухают, но когда окружающая атмосфера имеет низкую влажность, растительные клетки усаживаются. Это изменение объема наблюдалось в зернах пыльцы и кедрах сосны.
Научные проблемы
По мнению группы IEEE.org, эти проблемы являются междисциплинарными, а некоторые по-прежнему считают перспективными; они касаются, в частности:
вклад биомиметиков. Большая часть живых существ состоит из мягких существ, и внутренние органы почти всегда таковы.
методы и инструменты (программное обеспечение) для моделирования и моделирования «мягких роботизированных органов» (возможно, сложный и печатный «моноблок» в 3D);Многие роботы имеют форму, напоминающую беспозвоночных, но мягкая роботизация также может способствовать созданию сложных человекоподобных роботов.
исследования нетрадиционных гибких материалов (все еще находятся в исследовательской фазе);
иерархическая инвентаризация гибких материалов, доступных и полезных или желательных для всех или части роботизированных приложений (обычных и будущих);
лучшие инструменты и методы изготовления и / или сборки этого типа робота;
интеграция датчиков, которые должны эволюционировать к «гибким и расширяемым» датчикам 7 (в том числе для возможной фотоэлектрической оболочки) в более или менее эластичной и деформируемой структуре;
приведение в действие, адаптированное к мягкому роботу, возможно, «модульное» и / или усиление систем «пассивных приспособлений» (энергосбережение);
внутренняя самоорганизация и возможности распределенного управления
полностью пересмотренные системы управления (коботиты);
прототипирование, тестирование (включая старение);
укрепление и более эффективное использование знаний и технологических ноу-хау в гибкой робототехнике;
возможности для «самореализации» в отношении проблем устойчивости;
саморепликация;
приложений для «мягкой робототехники».
Роботизированные особенности
Гибкий робот взаимодействует по-разному с окружающей средой, поскольку он может генерировать или претерпевать упругие деформации, более или менее ограниченные его морфологией, ее размером, степенью эластичности и когерентностью его структуры.
Он часто — но не обязательно — биомиметичен (или биоиндустрирован) и всегда характеризуется использованием конкретных материалов.
Его исполнительные механизмы отчасти отличаются или адаптированы.
У них есть недостатки и преимущества перед жесткими роботами.
Недостатки
Поле мягкой робототехники все еще очень развивается. Он зарекомендовал себя только несколькими прототипами. На рынке нет или несколько запасных частей или мягких роботов, и R & amp; Финансирование D по-прежнему преимущественно ориентировано на классическую робототехнику;
поведение мягких материалов (и гибких структур, особенно когда они сложны) гораздо труднее моделировать, чем твердые материалы, и поэтому их труднее контролировать и эксплуатировать;
Некоторые из мягких материалов, которые составляют их, уязвимы для определенных внешних агрессий (хотя в некоторых случаях «мягкий» характер также позволяет поглощать энергию ударов или эффектов «пробивки» и защищать робота.
преимущества
деформируемые структуры позволяют мягкому роботу лучше адаптироваться к определенным динамическим обстоятельствам или задачам, в том числе в условиях неопределенности (например, перемещение в жидкости с высокой турбулентностью, локомоция в неровном грунте и неизвестность, действие захватного объекта формы, веса и хрупкости неизвестно ) .. или при контакте с живым существом или органом (в случае хирургического или промышленного робота);
быстрый прогресс инъекции эластомера, а затем трехмерной печати некоторых эластомеров позволяет формовать (и сегодня печатать) эластичные полимерные смеси разной эластичности, открывая новые возможности; В ближайшем будущем представляется возможным связать синтетические полимеры с биополимерами или живыми клетками;
Некоторые мягкие и эластичные материалы имеют большой интерес: например, материалы с фазовым изменением, деформируемые структуры (например, пружины) или память формы или интеграция сжатого газа также могут теоретически хранить и выделять определенное количество энергии. Эта энергия может использоваться для движений и изменений формы робота и / или быть мобилизована для других задач;
После того, как они были разорваны, проколоты или слегка повреждены, некоторые эластомеры, состоящие из терморевертируемых ковалентных сетей (так называемые «Полимеры Дильса-Альдера» или «Полимеры Дильса-Альдера» для англоязычных авторов) могут (просто слегка нагревшись, а затем охладиться) собрать; Таким образом становятся возможными надежные конверты или органы, способные к самовосстановлению; Тесты, опубликованные в 2017 году Science Robotics, показывают, что материалы могут затем восстанавливаться после разрезов, а затем отступают, несмотря на то, что некоторые шрамы почти полной производительности даже после двух циклов восстановления / исцеления. Это было успешно проверено на три пневматических привода гибкой роботизированной (гибкие щипцы, руки и искусственные мышцы) самовосстановление после травм путем прокалывания, разрыва или ударов по рассматриваемому полимеру;
Мягкая робототехника часто намного дешевле, чем жесткие части «классических» роботов.
производство
Обычные технологии производства, такие как методы вычитания, такие как сверление и фрезерование, бесполезны, когда речь идет о создании мягких роботов, поскольку эти роботы имеют сложные формы с деформируемыми телами. Поэтому были разработаны более совершенные технологии производства. К ним относятся: изготовление форм осаждения (SDM), процесс интеллектуальной композитной микроструктуры (SCM) и трехмерная многофазная печать.
SDM — это тип быстрого прототипирования, при котором осаждение и механическая обработка происходят циклически. По существу, один откладывает материал, обрабатывает его, внедряет желаемую структуру, откладывает опору для указанной структуры, а затем дополнительно обрабатывает продукт до конечной формы, которая включает осажденный материал и встроенную деталь. Встраиваемые аппаратные средства включают в себя схемы, датчики и приводы, а ученые успешно внедряют элементы управления внутри полимерных материалов для создания мягких роботов, таких как Stickybot и iSprawl.
SCM — это процесс, в котором сочетаются твердые тела из армированного углеродным волокном полимера (CFRP) с гибкими полимерными связями. Гибкий полимер действует как суставы для скелета. В этом процессе интегрированная структура CFRP и полимерных связок создается с помощью лазерной обработки с последующим ламинированием. Этот процесс SCM используется при производстве мезомасштабных роботов, поскольку полимерные соединители служат альтернативам с низким коэффициентом трения для штыревых соединений.
3D-печать теперь может использоваться для печати широкого спектра силиконовых чернил с использованием Robocasting, также известной как прямая чернильная печать (DIW). Этот производственный маршрут позволяет производить бесшовные производства флюидных эластомерных приводов с локально определенными механическими свойствами. Кроме того, это позволяет производить цифровые пневматические силиконовые приводы с программируемыми биоинсталляционными архитектурами и движениями. С помощью этого метода был напечатан широкий спектр полностью функциональных программных программ, включая изгиб, скручивание, захват и сжатие. Этот метод позволяет избежать некоторых из недостатков обычных производственных маршрутов, таких как расслоение между склеенными деталями. Другой способ получения добавки, который дает формы для морфинга формы, форма которых является светочувствительной, термически активированной или реагирующей с водой. По существу, эти полимеры могут автоматически изменять форму при взаимодействии с водой, светом или теплом. Один из таких примеров материала для формования морфинга был создан посредством использования легкой реактивной струйной печати на полистирольной мишени. Кроме того, полимеры с памятью формы были быстро прототипированы, которые состоят из двух разных компонентов: скелета и материала шарнира. После печати материал нагревают до температуры, превышающей температуру стеклования материала шарнира. Это позволяет деформировать шарнирный материал, не влияя на материал скелета. Кроме того, этот полимер можно непрерывно реформировать путем нагревания.
контроль
Все мягкие роботы требуют некоторой системы для создания сил реакции, чтобы робот мог двигаться и взаимодействовать со своей средой. Из-за совместимого характера этих роботов эта система должна иметь возможность перемещать робота без использования жестких материалов, чтобы действовать как кости в организмах или металлическая рама в жестких роботах. Тем не менее, существует несколько решений этой технической проблемы, которые нашли применение, каждый из которых обладает преимуществами и недостатками.
Одна из этих систем использует диэлектрические эластомерные приводы (DEA), материалы, которые меняют форму при приложении высоковольтного электрического поля. Эти материалы могут создавать высокие силы и иметь высокую удельную мощность (Вт / кг).Однако эти материалы лучше всего подходят для применения в жестких роботах, поскольку они становятся неэффективными, когда они не действуют на жесткий скелет. Кроме того, требуемое высокое напряжение может стать ограничивающим фактором в потенциальных практических применениях для этих роботов.
Другая система использует пружины из сплава с памятью формы. Несмотря на то, что они изготовлены из металла, традиционно жесткого материала, пружины изготовлены из очень тонких проводов и так же послушны, как и другие мягкие материалы. Эти пружины имеют очень высокое отношение силы к массе, но простираются за счет использования тепла, что является неэффективным по энергии.
Пневматические искусственные мышцы — еще один метод, используемый для управления мягкими роботами. Изменяя давление внутри гибкой трубки, он будет действовать как мышца, сокращаясь и расширяясь, и применяя силу к тому, к чему она привязана. Благодаря использованию клапанов робот может поддерживать заданную форму, используя эти мускулы без дополнительной подачи энергии. Однако этот метод обычно требует использования внешнего источника сжатого воздуха.
история
Из часов автоматов и механических игрушек в течение нескольких десятилетий используются различные формы пружин, а иногда и кожа, ткань, образующая гибкие соединения, или скрученный эластичный или сжатый воздух в колбе в качестве энергетического резервуара. Но полимеры, необходимые для создания настоящих, сильных и долговечных роботов, доступны только в течение нескольких десятилетий.
Около полувека промышленные роботы были жесткими и были приспособлены к быстрым и повторяющимся задачам. В их конструкции иногда использовались более или менее гибкие или мягкие материалы, но часто имели второстепенное значение; они были зарезервированы для перемещения кабелей, жидкостных линий, совместных куртков, вакуумных систем (например, для захвата хрупких предметов) или ударного демпфирования и т. д. Научная фантастика в комиксах, романах и фильмах популяризировала роботов, часто имеющих металлическую броню (или иногда очень гуманоид, в том числе с синтетической кожей).
С 2009 по 2012 год появление технических силиконов, различных других формовочных полимеров, материалов с памятью формы позволило исследовать новые направления.Использование электроактивных полимеров и перспектива создания искусственных мышечных систем (в том числе основанных на электроактивном гидрогеле) в сочетании с регулярным улучшением производительности 3D-принтеров могли бы, в частности, в связи с развитием биомиметики увеличить развитие мягкая роботизация, позволяющая создавать новые способности, такие как сжатие, растяжение, кручение, набухание, морфинг и т. д., что было бы невозможно с помощью жестких элементов классической робототехники.
В 2013 году на международной конференции, посвященной искусственному интеллекту, и в статье, в которой излагается их точка зрения, Рольф Пфейфер и его коллеги из Цюрихского университета представляют мягкие роботы и биомиметики в качестве следующего поколения «интеллектуальных машин».
Недавние открытия и демонстрации также (и, например) были сосредоточены на:
«газовая робототехника» (которая фокусируется на роботах легче воздуха)
интерес мягких и цепких придатков, таких как слон-рог или щупальца, возможно, миниатюризирован; в этом случае мышечные гидростаты, часто сделанные почти полностью из мышечной и соединительной ткани, могут изменять свою форму, если они находятся под давлением осмоса, а также в некоторых растительных или грибковых органах.
самозаводящаяся пряжа и сделанная очень растяжимая (имитирующая принцип капель, которые покрывают паутину)
использование простейших материалов, таких как песчинки, которые могут быть «сформированы» по принципу «заклинивания», чтобы придать эквивалент роботизированных пинцет первым мягким и обволакивающим, чтобы его затем можно было закаливать по желанию
Материалы с памятью формы
ионные полимерные металлические композиты
диэлектрические эластомеры (или DE для диэлектрических эластомеров.
использование 3D-печати, например, для создания беспроводного или без батареи материального робота, где небольшим резервуаром перекиси водорода служит источник газа (который может быть активирован путем помещения перекиси в контакт с катализатором (платиной), способным раздувания сети трехмерных печатных пневматических камер (например, Octobot, представленной в 2016 году).
Синоптики ожидают, что роботы, способные самовосстанавливаться, расти, перерабатывать или биодеградировать, могут настраивать свою морфологию для разных задач и / или окружающей среды.
Мягкие микророботы (возможно, микроскопические) также ожидаются некоторыми (как логическое следствие пересечения мягкой робототехники и миниатюризации), но другие, подобные (Джей) Ким, удивляются, почему; есть ли убедительные или мотивирующие причины их изобретать?
Использование и применение
Мягкие роботы могут быть внедрены в медицинской профессии, особенно для инвазивной хирургии. Мягкие роботы могут быть сделаны, чтобы помочь хирургии из-за их свойств изменения формы. Изменение формы важно, поскольку мягкий робот может перемещаться по различным структурам человеческого тела, регулируя его форму. Это может быть достигнуто за счет использования жидкостного привода.
Мягкие роботы могут также использоваться для создания гибких экзоусителей, для реабилитации пациентов, оказания помощи пожилым людям или просто повышения силы пользователя. Команда из Гарварда создала экзосуит, используя эти материалы, чтобы придать преимущество дополнительной силы, обеспечиваемой экзосуитом, без недостатков, связанных с тем, как жесткие материалы ограничивают естественное движение человека.
Традиционно, производственные роботы были изолированы от людей из-за проблем с безопасностью, поскольку жесткий робот, столкнувшийся с человеком, может легко привести к травме из-за стремительного движения робота. Тем не менее, мягкие роботы могли безопасно работать вместе с людьми, так как при столкновении совместимый характер робота предотвратил бы или сбил бы любую потенциальную травму.
Международные журналы
Soft Robotics (SoRo)
Секция Soft Robotics в области робототехники и AI
Международные события
2018 Robosoft, первая Международная конференция IEEE по мягкой роботике, 24-28 апреля 2018 года, Ливорно, Италия
2017 Семинар IROS 2017 по мягкому морфологическому дизайну для тактического ощущения, взаимодействия и отображения, 24 сентября 2017 года, Ванкувер, Британская Колумбия, Канада
2016 Первый конкурс Soft Robotics Challenge, 29-30 апреля, Ливорно, Италия
2016 неделя софт-робототехники, 25-30 апреля, Ливорно, Италия
2015 «Soft Robotics: активирование, интеграция и приложения» — смешение перспектив исследований для перехода вперед в технологии мягкой робототехники »на ICRA2015, Seattle WA
2014 Семинар по достижениям в области мягкой робототехники, 2014 г. Конференция по робототехнике и системам (RSS), Беркли, Калифорния, 13 июля 2014 г.
2013 Международный семинар по мягкой робототехнике и морфологическим вычислениям, Монте-Верита, 14-19 июля 2013 г.
2012 Летняя школа по мягкой роботике, Цюрих, 18-22 июня 2012 г.
В популярной культуре
Фильм «Большой герой 6», выпущенный в 2014 году, вращался вокруг мягкого робота Baymax, первоначально разработанного для использования в индустрии здравоохранения. В фильме Baymax изображается как крупный, но неповторимый робот с надутым виниловым внешним видом, окружающим механический скелет. Основой концепции Baymax является исследование реальной жизни приложений мягкой робототехники в области здравоохранения, например, работа роботиста Криса Аткесона в Институте робототехники Карнеги Меллона.
Научное сообщество
Некоторые элементы «классических» роботов (промышленных, военных и т. Д.) Уже давно сделаны из мягких и иногда эластичных материалов, но идея о роботах почти полностью «мягкая» является недавней. Он ассоциируется с классической робототехникой новых типов моделирования и дисциплин, которые были лишь незначительно (химия полимера в частности). Принципы проектирования и строительства в основном подлежат рассмотрению.
В начале 2010 года международное научно-техническое сообщество собралось вокруг идеи изучения треков, открытых мягкой робототехникой, с:
с октября 2012 года — технический комитет IEEE RAS, посвященный мягкой робототехнике (Технический комитет IEEE RAS по мягкой роботике), задачей которого является координация исследовательского сообщества;
с 2014 года газета, посвященная деформируемому робототехнику, публикуется каждые три месяца.
во Франции исследовательская группа из INRIA сделала ее своей специальностью.
новаторство
Одна из проблем, которые необходимо выполнить (включая ремонт гибких роботов), — иметь гибкий и эластичный и водостойкий клей. Похоже, что это произойдет: в середине 2017 года ученым-физикам удалось изготовить в лаборатории высокоэластичный цианоакрилатный клей, который может прилипать твердые и / или мягкие вещества (включая электронные компоненты) к гидрогелям (такие материалы, как «Гели», используемые в некоторые медицинские устройства и гибкие роботы). Это открывает путь для создания батарей и электрических цепей, которые действительно эластичны и растяжимы. Цианоакрилат связан с органическим компонентом (который, не будучи растворителем, быстро рассеивается в расплаве, чтобы предотвратить его хрупкость). Во время нажатия установка клея занимает несколько секунд 29. Эластичность может достигать 2000%.
В 2017 году исследователям удалось разработать первый мягкий робот, способный двигаться без двигательной или механической системы, новаторство, которое, используя сплавы памяти, открывает путь к множеству возможностей как в аэрокосмической, так и в наноскопической исследованиях.