در یک پیشرفت بزرگ در رباتیک، رباتی با عضلات «نرم» شبیه انسان برای اولین بار با موفقیت طراحی شد. چنین روبات‌های نرمی می‌توانند برای طراحی روبات‌های دوست‌دار انسان در آینده مفید باشند.
ربات‌ها ماشین‌های قابل برنامه‌ریزی هستند که معمولاً در کاربردهای صنعتی استفاده می‌شوند، به عنوان مثال به عنوان بخشی از اتوماسیون، به‌ویژه در تولید، زیرا به گونه‌ای طراحی شده‌اند که در کارهای تکراری که به قدرت و قدرت زیادی نیاز دارند، خوب باشند. ربات ها از طریق حسگرها و محرک‌های موجود در آنها با دنیای فیزیکی تعامل دارند و قابل برنامه‌ریزی مجدد هستند و آنها را نسبت به ماشین‌های معمولی تک کاره مفیدتر و انعطاف‌پذیرتر می‌کند. از نحوه طراحی این ربات ها برای انجام کار مشخص است که حرکات آنها بسیار سفت و سخت، گاهی اوقات تند و سریع، ماشین مانند و سنگین، تحمیل کننده هستند و زمانی که یک کار خاص به مقادیر متغیر نیرو در زمان های مختلف نیاز دارد، مفید نیستند. نکته ها. ربات ها همچنین گاهی اوقات خطرناک هستند و ممکن است به محفظه های امن نیاز داشته باشند زیرا به محیط اطراف خود حساس نیستند. رشته رباتیک در حال بررسی رشته‌های مختلف برای طراحی، ساخت، برنامه‌نویسی و استفاده کارآمد از ماشین‌های روباتیک در حوزه‌های مختلف صنعت و فناوری پزشکی با نیازهای مختلف است.
در مطالعات اخیر دوقلو به رهبری کریستوف کپلینگر، محققان ربات‌هایی را با دسته جدیدی از ماهیچه‌ها که بسیار شبیه به ماهیچه‌های انسان ما هستند و درست مانند ما قدرت و حساسیت دارند، متناسب کرده‌اند. ایده اصلی ارائه بیشترطبیعیحرکات به ماشین یعنی روبات ها. 99.9 درصد از تمام ربات های امروزی ماشین های سفت و سختی هستند که از فولاد یا فلز ساخته شده اند، در حالی که یک بدنه بیولوژیکی نرم است اما دارای قابلیت های باورنکردنی است. این ربات‌ها با ماهیچه‌های «نرم» یا «واقعی‌تر» می‌توانند برای انجام کارهای معمولی و ظریف (که ماهیچه‌های انسان روزانه انجام می‌دهند)، به‌عنوان مثال فقط برداشتن یک میوه نرم یا قرار دادن تخم‌مرغ در داخل سبد، طراحی مناسبی داشته باشند. در مقایسه با روبات های سنتی، ربات های مجهز به 'عضلات مصنوعیمانند نسخه‌های «نرم‌تر» خود و ایمن‌تر خواهند بود و سپس می‌توان آنها را برای انجام تقریباً هر کاری در نزدیکی افراد سفارشی کرد، که چندین برنامه ممکن را در ارتباط با زندگی انسان و اطراف آن پیشنهاد می‌کند. ربات‌های نرم را می‌توان ربات‌های «همکار» نامید، زیرا به‌طور منحصربه‌فردی برای انجام یک کار خاص به روشی بسیار شبیه به انسان طراحی می‌شوند.
محققان در تلاش برای ایجاد ربات های عضلانی نرم هستند. چنین رباتی به نرمی نیاز دارد عضله فناوری برای جعل هویت ماهیچه های انسان و دو فناوری از این قبیل توسط محققان آزمایش شده است - محرک های پنوماتیکی و محرک های الاستومری دی الکتریک. "محرک" به عنوان وسیله واقعی که ربات را حرکت می دهد تعریف می شود، یا ربات حرکت خاصی را نشان می دهد. در محرک‌های پنوماتیکی، یک کیسه نرم با گازها یا مایعات پمپ می‌شود تا حرکت خاصی ایجاد کند. این طراحی ساده است اما همچنان قدرتمند است اگرچه پمپ ها غیرعملی هستند و دارای مخازن حجیم هستند. فناوری دوم - محرک های الاستومری دی الکتریک از مفهوم اعمال میدان الکتریکی در سراسر یک پلاستیک انعطاف پذیر عایق برای تغییر شکل آن و در نتیجه ایجاد حرکت استفاده می کنند. این دو فناوری به تنهایی هنوز موفق نبوده‌اند، زیرا وقتی یک پیچ برق از پلاستیک عبور می‌کند، این دستگاه‌ها به‌شدت از کار می‌افتند و بنابراین در برابر آسیب‌های مکانیکی مقاوم نیستند.
بیشتر "انسان مانند» روبات هایی با عضلات مشابه
در مطالعات دوقلو گزارش شده در علم1 و علم رباتیک2محققان جنبه‌های مثبت دو فناوری ماهیچه‌های نرم موجود را در نظر گرفتند و یک محرک ساده شبیه ماهیچه‌های نرم ایجاد کردند که از الکتریسیته برای تغییر حرکت مایعات در داخل کیسه‌های کوچک استفاده می‌کند. این کیسه های پلیمری انعطاف پذیر حاوی یک مایع عایق هستند، به عنوان مثال یک روغن معمولی (روغن گیاهی یا روغن کانولا) از سوپرمارکت، یا هر مایع مشابهی را می توان استفاده کرد. هنگامی که ولتاژ بین الکترودهای هیدروژل قرار داده شده بین دو طرف کیسه اعمال می شود، طرفین به سمت یکدیگر کشیده می شوند، اسپاسم روغن رخ می دهد، مایع موجود در آن فشرده می شود و باعث می شود که در داخل کیسه جریان یابد. این کشش یک انقباض مصنوعی ماهیچه ای ایجاد می کند و به محض قطع شدن برق، روغن دوباره شل می شود و تقلید می کند. مصنوعی آرامش عضلانی محرک به این ترتیب تغییر شکل می دهد و جسمی که به محرک متصل است حرکتی را نشان می دهد. بنابراین، این «عضله مصنوعی» به همان روش و با همان دقت و نیروی ماهیچه های اسکلتی واقعی انسان، فوراً در میلی ثانیه منقبض و آزاد می شود. این حرکات حتی می‌توانند سرعت واکنش‌های عضلانی انسان را نیز شکست دهند، زیرا ماهیچه‌های انسان به طور همزمان با مغز ارتباط برقرار می‌کنند و باعث تأخیر می‌شوند، هرچند غیرقابل توجه. بنابراین، از طریق این طراحی، یک سیستم سیال به دست آمد که دارای کنترل الکتریکی مستقیم بود که تطبیق پذیری و عملکرد بالا را نشان می داد.
در مطالعه اول1 in علممحرک‌ها به شکل دونات طراحی شده بودند و قابلیت و مهارت این را داشتند که تمشک را از طریق یک گیره رباتیک (و نه منفجر کردن میوه‌ها!) برداشته و نگه دارند. آسیب احتمالی که توسط یک پیچ برق در هنگام عبور از مایع عایق ایجاد می شود (یک مشکل عمده در محرک های طراحی شده قبلی) نیز در طراحی فعلی مورد توجه قرار گرفته است و هر گونه آسیب الکتریکی به صورت خود ترمیم شده یا بلافاصله توسط دستگاه جدید ترمیم می شود. جریان مایع به قسمت آسیب دیده از طریق یک فرآیند ساده توزیع مجدد. این امر به استفاده از ماده مایع، که انعطاف پذیرتر است، به جای یک لایه عایق جامد که در بسیاری از طرح های قبلی استفاده می شد و بلافاصله آسیب می دید، نسبت داده می شد. در این فرآیند ماهیچه مصنوعی بیش از یک میلیون چرخه انقباض را پشت سر گذاشت. این محرک خاص که به شکل دونات بود به راحتی قادر به چیدن یک تمشک بود. به طور مشابه، با طراحی شکل این کیسه های الاستیک، محققان طیف وسیعی از محرک ها را با حرکات منحصر به فرد ایجاد کردند، به عنوان مثال حتی یک تخم مرغ شکننده را با دقت و نیروی دقیق مورد نیاز برداشتند. این ماهیچه های انعطاف پذیر به عنوان محرک های الکترواستاتیک خود ترمیم شونده با تقویت هیدرولیکی یا محرک های HASEL نامیده می شوند. در مطالعه دوم.2 منتشر شده در علوم رباتیکهمین تیم همچنین دو طرح عضله نرم دیگر را ایجاد کرد که به صورت خطی منقبض می شوند، بسیار شبیه به عضله دو سر انسان، بنابراین توانایی بلند کردن مکرر اجسام سنگین تر از وزن خود را دارند.
نظر کلی این است که از آنجایی که ربات‌ها ماشین هستند، بنابراین مطمئناً باید نسبت به انسان‌ها برتری داشته باشند، اما وقتی صحبت از توانایی‌های شگفت‌انگیزی می‌شود که ماهیچه‌هایمان به ما می‌دهند، به سادگی می‌توان گفت که روبات‌ها در مقایسه با آنها رنگ پریده‌اند. عضله انسان فوق العاده قدرتمند است و مغز ما کنترل فوق العاده ای بر عضلات ما دارد. به همین دلیل است که عضلات انسان قادر به انجام کارهای پیچیده با دقت هستند، مثلاً نوشتن. ماهیچه های ما به طور مکرر هنگام انجام یک کار سنگین منقبض و شل می شوند و گفته می شود که ما در واقع فقط از 65 درصد توانایی عضلات خود استفاده می کنیم و این محدودیت عمدتاً توسط تفکر ما تعیین می شود. اگر بتوانیم رباتی را تصور کنیم که ماهیچه های نرمی شبیه انسان دارد، قدرت و توانایی آن بسیار زیاد خواهد بود. این مطالعات به عنوان اولین گام برای توسعه محرکی تلقی می شود که روزی می تواند به توانایی های عظیم ماهیچه های بیولوژیکی واقعی دست یابد.
رباتیک "نرم" مقرون به صرفه
نویسندگان می گویند که موادی مانند کیسه های پلیمری چیپس سیب زمینی، روغن و حتی الکترودها ارزان هستند و به راحتی در دسترس هستند و هزینه آن تنها به 0.9 دلار آمریکا (یا 10 سنت) می رسد. این امر برای واحدهای تولیدی صنعتی فعلی و محققان برای افزایش تخصص خود دلگرم کننده است. مواد ارزان قیمت مقیاس پذیر و سازگار با شیوه های فعلی صنعت هستند و چنین دستگاه هایی می توانند برای تعدادی از کاربردها مانند دستگاه های مصنوعی یا به عنوان یک همراه انسانی استفاده شوند. این یک جنبه به خصوص جالب است، زیرا اصطلاح رباتیک همیشه با هزینه های بالا برابر است. یک اشکال مرتبط با چنین ماهیچه های مصنوعی، مقدار بالای الکتریسیته مورد نیاز برای عملکرد آن است و همچنین در صورت ذخیره بیش از حد قدرت ربات، احتمال سوختن وجود دارد. ربات‌های نرم بسیار ظریف‌تر از همتایان روبات‌های سنتی خود هستند و طراحی آنها را چالش‌برانگیزتر می‌کنند، به‌عنوان مثال احتمال سوراخ‌کردن، از دست دادن قدرت و ریختن روغن. این روبات‌های نرم قطعاً به نوعی جنبه خوددرمانی نیاز دارند، مانند بسیاری از روبات‌های نرم.
روبات‌های نرم کارآمد و قوی می‌توانند در زندگی انسان‌ها بسیار مفید باشند، زیرا می‌توانند مکمل انسان‌ها باشند و مانند روبات‌های «همکار» به جای ربات‌هایی که جایگزین انسان‌ها می‌شوند، با آنها کار کنند. همچنین بازوهای مصنوعی سنتی می‌توانند نرم‌تر، دلپذیرتر و حساس‌تر باشند. این مطالعات امیدوارکننده هستند و اگر بتوان با تقاضای بالای قدرت مقابله کرد، این پتانسیل را دارد که آینده روبات‌ها را از نظر طراحی و نحوه حرکت آنها متحول کند.
***
{شما می‌توانید مقاله پژوهشی اصلی را با کلیک بر روی پیوند DOI که در فهرست منابع ذکر شده در زیر آمده است بخوانید}
منبع (ها)
1. آکوم و همکاران. 2018. محرک های الکترواستاتیک خود ترمیم شونده هیدرولیکی با عملکرد عضلانی. علوم پایه. 359(6371). https://doi.org/10.1126/science.aao6139
2. کلاریس و همکاران. 2018. محرک های Peano-HASEL: مبدل های الکتروهیدرولیک تقلیدی عضلانی که به صورت خطی در هنگام فعال شدن منقبض می شوند. علوم رباتیک. 3 (14). https://doi.org/10.1126/scirobotics.aar3276
