Puoliautonomiset pehmeät robotit pelastavat ihmishenkiä

Kun ajattelet robotteja, kuvittelet todennäköisesti jäykän koneen, joka voi suorittaa tehtäviä tai auttaa sinua pyrkimyksissäsi. Toinen robottiluokka jatkaa kuitenkin kulmakarvojen kohottamista ja innovaatioiden tuomista – pehmeät robotit. Nämä ainutlaatuiset laitteet voivat muokata muotoaan ja toimintaansa moniin tehtäviin. Tässä on mitä sinun on tiedettävä.

Mitä ovat pehmeät robotit ja miksi ne ovat pelinvaihtajia?

Pehmeiden robottien sektori on jännittävä markkina-alue, jolla tapahtuu jatkuvasti massiivisia parannuksia ja innovaatioita. Monet näkevät nämä laitteet avaimena katastrofiaputyössä. Näiden yksiköiden pehmeä ja säädettävä luonne mahdollistaa niiden puristautumisen pienten reikien ja putkien läpi tarvittaessa, jolloin robotti voi päästä vaikeimpiinkin paikkoihin, joihin perinteisillä vaihtoehdoilla olisi muuten mahdotonta päästä.

Pehmeät robotit on rakennettu joustavista materiaaleista, joiden avulla ne voivat muotoilla ja taivuttaa rakennettaan tarpeen mukaan. Näitä laitteita on monessa muodossa, joista osa on suunniteltu kiemurtelemaan putkien läpi kuten käärme, kun taas toiset voivat taittua tai kiertyä palloksi, mikä tarjoaa erinomaisen pääsyn tilanteen vaatiessa.

Keskeiset haasteet, jotka estävät pehmeän robotin kehittämisen

Pehmeät robotit eivät ole täydellisiä. Niiden luontainen suunnittelu ja materiaalit tekevät näiden laitteiden luomisesta tasapainoisen suorituskyvyn ja komponenttien sijoittamisen välillä alueille, joilla ne eivät estä joustavuutta. Aiemmin insinöörit rajoittivat käytettävää elektroniikkaa pehmeiden robottielektroniikan jäykkyyden vähentämiseksi.

Näissä järjestelmissä olevien integroitujen antureiden vähentäminen auttaa eliminoimaan jäykät levyt ja servot, mutta se tarkoittaa myös sitä, että nämä laitteet rajoittuvat yleensä yksisuuntaisiin viestintäjärjestelmiin. Nämä järjestelmät ovat tapa, jolla lentäjä navigoi robottia epätasaisessa maastossa.

Tietäen tämän lähestymistavan rajoitukset, useiden johtavien tutkimuslaitosten luovien insinöörien ryhmä on kehittänyt parannetun pehmeän robotin suunnittelun, joka vähentää jäykkyyttä ja parantaa suorituskykyä kaikkialla.

Läpimurtotutkimus paljastaa älykkäämpiä, joustavampia pehmeitä robotteja

"Langaton, monitoiminen järjestelmäintegroitu ohjelmoitava pehmeä robotti"¹ Nano-Micro Letters -lehdessä julkaistu tutkimus esittelee uudenlaisen pehmeän robotin konseptin, joka on aiempia vaihtoehtoja tehokkaampi ja edullisempi. Osana robotin päivitettyjä ominaisuuksia tiimi esitteli useita antureita, joiden avulla laite voi tehdä puoliautomaattisia päätöksiä senhetkisen tilanteensa ja ympäristönsä perusteella.

Lähde – Jennifer M. McCann

Seuraavan sukupolven pehmeiden robottien suunnittelussa

Osana uutta pehmeän robotin suunnittelua tiimi aloitti luomalla pehmeän robotin asettelun uudelleen alusta alkaen. He ymmärsivät, että heidän oli tehtävä laite tavalla, joka mahdollistaa useiden muotojen ja liikkeiden saavuttamisen minimaalisella energiankulutuksella. Tämän tehtävän suorittamiseksi ne integroivat magneettisesti reagoivia pehmeitä komposiittimatriiseja muotoutuvaan monitoimielektroniikkaan.

Kuinka insinöörit säilyttävät joustavuuden kehittyneissä pehmeissä roboteissa

Pehmeiden robottien joustavuuden säilyttäminen on tärkeä kysymys sekä suunnittelijoille että insinööreille. Joka kerta, kun lisäät uuden sirun, anturin, akun tai servon, rajoitat kyseisen robotin osan joustavuutta huomattavasti. Tämän seurauksena tehokkaammat pehmeät robotit ovat yleensä vähemmän joustavia, koska niiden ydinosat eivät voi taipua ilman vikaantumista.

Tiimi käytti paljon aikaa keskustelemaan ihanteellisesta langattomasta piiristä, antureista ja laitteista. Sieltä insinöörien tehtävänä oli määrittää paras paikka näille laitteille, jotka vaikuttaisivat liikkeeseen. Lopulta sovittiin tietystä asettelusta, joka sijoitti elektroniikkaa siten, että botti pystyi säätämään täysin ja jopa käpristymään palloksi tarvittaessa.

Magneettisesti ohjattu liike: Kuinka nämä pehmeät robotit liikkuvat

Insinöörien piti sitten selvittää, kuinka robotille voidaan antaa kyky muuttaa muotoaan. Tässä vaiheessa he kääntyivät kohti useita magneettisia yhdisteitä. Tarkemmin sanottuna magneettiset yhdisteet valmistetaan sekoittamalla syntetisoidut WcMP:t silikonielastomeerin ja kovetusaineen kanssa.

Sieltä laseria käytettiin kuvioimaan magneettiset pehmeät komposiitit ennen lämpöä. Seuraava vaihe vaati insinöörejä ohjelmoimaan ulkoisen magneettikentän (200 mT) pyörimään ja kohdistamaan upotettuja magneettihiukkasia. Lopuksi uusien magneettien annettiin jäähtyä.

Nämä tarkoitukseen rakennetut magneetit suunniteltiin läpikäymään vaiheen muutos alhaisessa lämpötilassa, jolloin insinöörit voivat muuttaa magneettista napaisuutta sekunneissa. Säätämällä kentän voimakkuutta ja suuntaa tiimi voi saada robotin suorittamaan tiettyjä tehtäviä ja muotoja. He huomauttavat, että he voivat saada laitteen taipumaan, kiertämään ja ryömimään tällä menetelmällä.

Ohjaa pehmeitä robotteja tarkasti magneettikenttien avulla

Laboratorio loi magneettisen materiaalin, joka upotettiin laitteen joustavaan rakenteeseen. Tämä mahdollisti insinöörien ohjata laitetta magneettikenttien avulla. Insinöörit käyttivät kenttää kädessä pidettävien magneettien ja sähkömagneettisten kenttägeneraattoreiden avulla.

Tarkemmin sanottuna kaupallinen NdFeB-kestomagneetti ja räätälöity sylinterisähkömagneetti valittiin parhaaksi tavaksi soveltaa ulkoista magneettikenttää. Nämä laitteet tuottavat tarpeeksi voimaa liikuttamaan magneettista pehmeää robottia.

Integroidut anturit, jotka tekevät pehmeistä roboteista puoliautonomisia

Tämän tutkimuksen ytimessä oli halu tehdä ensimmäiset puoliautonomiset pehmeät robotit. Nämä laitteet integroisivat anturisarjan, jonka avulla ne voisivat tehdä päätöksiä ympäristön perusteella. Ne voivat esimerkiksi asettaa yksikön reagoimaan lämpötilan muutoksiin, esteisiin tai aikarajoituksiin.

Magneettisten häiriöiden voittaminen pehmeässä robottielektroniikassa

Insinöörit tiesivät, että magneettien väliin liittyy joitain uusia ongelmia, joihin on puututtava, lähinnä häiriöihin. Magneettikentät ovat hyviä magneettien aktivoimiseen, mutta eivät niin suuria elektronisten häiriöiden kannalta. Nämä magneettikentät voivat häiritä elektronisia toimintoja ja luoda kaaosta.

Näin ollen insinöörit käyttivät paljon aikaa ihanteellisen elektroniikkaasettelun määrittämiseen. He pystyivät määrittämään parhaan anturin ja sirun sijainnin häiriötasojen ja esivoiman perusteella. Tämä vaihe varmisti, että pehmeä robotti ei yhtäkkiä epäonnistuisi, kun se muuttaa muotoaan ja muuttaa sen sähkömagneettisia ominaisuuksia.

Pehmeiden robottien kykyjen testaaminen todellisissa ympäristöissä

Osoittaakseen pehmeiden robottiensa kykyjä tiimi pystytti pienen esteradan. Pieni magneettikäyttöinen laite pystyi kulkemaan monenlaisia ​​maastoja ja esteitä suorittaakseen matkan onnistuneesti. Julkaistulla videolla näkyy, kuinka robotti kulkee maastossa muuttamalla muotoaan ja asetteluaan.

Robotti astuu ensin putkeen ja muodostaa pallon, jonka avulla se pääsee nopeasti esteen läpi. Sieltä se kohtasi useita maastotyyppejä, jotka vaihtelivat asettelun, korkeuden ja epätasaisuuden suhteen. Näiden testien aikana insinöörit halusivat seurata vakautta ja elektroniikan suorituskykyä.

Kuinka sähkökomponentit toimivat magneettisessa rasituksessa

Myös robotin sähkökomponentit testattiin perusteellisesti. Näissä testeissä mitattiin sähkömagneettisten häiriöiden vaikutuksia laitteiden tärkeisiin komponentteihin, kuten induktoriin, lämpötilaan, venymään, transistoreihin, kondensaattoreihin, μ-LEDiin, μ-lämmittimeen, mikrokontrolleriin (μC), diodeihin ja Bluetooth Low-Energy System-on-Chip -piiriin.

Tulokset osoittavat, että uusi pehmeä robottisuunnittelu parantaa suorituskykyä

Testitulokset osoittivat, että uusi pehmeä robottirakenne oli erittäin tehokas ja suoriutui paremmin kuin perinteinen pehmeä robotiikka. He totesivat, että kytkemättömät elektroniset robotit ja magneettisesti reagoivat rakennetut komposiitit mahdollistivat insinöörit saavuttamaan poikkeuksellisen laajan valikoiman liikkeitä ja muotoja.

Robotin rakenne tarjoaa vakaan ja tarkan multimodaalisten sähkötoimintojen suorittamisen ilman mekaanisen liikkeen menetystä. Lisäksi anturit antoivat robotille mahdollisuuden tehdä reaaliaikaisia ​​päätöksiä tavoitteensa saavuttamiseksi. Tämä lähestymistapa osoitti laitteen mukautumiskyvyn ja kyvyn suorittaa monimutkaisia ​​tehtäviä monissa olosuhteissa.

Pehmeiden robottien edut pelastusalalla, lääketieteessä ja teollisuudessa

Tämä pehmeä robottitutkimus tuo markkinoille monia etuja. Ensinnäkin se avaa oven tehokkaammille ja ketterämmille laitteille. Magneettien käyttäminen servojen sijaan tekee näistä yksiköistä paljon joustavampia, kevyempiä ja reagoivampia. Nämä edut tarkoittavat, että insinöörit voivat olla innovatiivisempia suunnittelussaan tulevaisuudessa. Sen avulla he voivat myös laajentaa tai pienentää suunnitteluaan vaatimusten mukaan.

Tosimaailman käyttötapaukset ja pehmeiden robottien tulevaisuus

Nykyään markkinoilla on monia sovelluksia pehmeille roboteille. Nämä laitteet muokkaavat markkinoita monella tapaa teollisten tehtävien hoitamisesta ihmisten rinnalla työskentelemiseen. Tässä on joitain parhaita käyttöskenaarioita pehmeälle robotiikalle tulevina vuosina.

Katastrofipelastus

Monet analyytikot pitävät pehmeitä robotteja parhaana ratkaisuna katastrofipalautuspyrkimyksiin. Suurkatastrofien, kuten maanjäristysten tai tulvien, sattuessa pelastusryhmiä voivat haitata tapahtuman aiheuttamat suuret rauniot ja tuhot.

Pehmeät robotit on suunniteltu navigoimaan näissä olosuhteissa helposti. Tulevaisuudessa niihin voidaan asentaa anturit, jotka auttavat paikantamaan selviytyneet tekniikalla, kuten syke- tai ammoniakkisensorilla. Näitä yksiköitä voidaan ottaa käyttöön massana ja kulkea läpi romahtaneiden rakennusten tai karkeiden viidakoiden läpi, kunnes ne löytävät elämän. Sellaisenaan niistä voi tulla arvokas työkalu ensiapuhenkilöille tulevaisuudessa.

lääketieteellinen

Pehmeällä robotiikalla on pitkä ja mielenkiintoinen historia lääketieteen alalla. Nämä laitteet voisivat jonain päivänä toimittaa lääkettä vaikeasti kohdennetuille alueille, kuten maksaan tai munuaisiin. Nämä robotit pystyvät navigoimaan ihmiskehon monimutkaisia ​​polkuja pitkin ja suorittamaan tehtäviä.

Esimerkiksi robottipilleri integroi kehittyneitä antureita, jotka voivat seurata tietoja, kuten PH-muutoksia tai paineen muutoksia lähteellä. Insinöörit kuvittelevat jopa päivän, jolloin voit saada injektion ladataksesi robotin kehoosi hoitamaan sydän- ja verisuonitauteja, toimittamaan lääkkeitä tai valvomaan tärkeitä yksityiskohtia.

Teollisuuden tuki

Pehmeää robotiikkaa tulee olemaan kaikkialla tulevaisuuden tehtaissa. Toisin kuin kovat kollegansa, pehmeät robotit voivat työskennellä ihmisten vieressä lisäämättä loukkaantumisriskiä. Tiedemiehet ovat jo tutkineet antureihin perustuvaa vastejärjestelmää, joka saisi nämä yksiköt reagoimaan kuin ihminen, kun ne törmäävät työtovereihin, vetäytyvät taaksepäin ja estävät loukkaantumisen.

Tapaa insinöörit Soft Robot Innovationin takana

Tähän tutkimukseen osallistui osallistujia useista erittäin kärsivistä oppilaitoksista. Tarkemmin sanottuna Penn Staten insinöörit johtivat tutkimusta muiden instituutioiden tutkijoiden kanssa.

Raportissa luetellaan Sungkeun Han, Jeong-Woong Shin, Joong Hoon Lee, Bowen Li, Gwan-Jin Ko, Tae-Min Jang, Ankan Dutta, Won Bae Han, Seung Min Yang, Dong-Je Kim, Heeseok Kang, Jun Hyeon Lim, Chan-Hwi Eom, Huk So Jeong Chengon ja Suwan Contributors. Siinä todetaan myös, että Etelä-Korean kansallinen tutkimussäätiö ja Korean tiede- ja teknologiainstituutti auttoivat rahoittamaan tätä tutkimusta.

Mitä seuraavaksi pehmoille roboteille: Miniatyrisointi ja lääketiede

Insinöörien mukaan heillä on paljon suunnitelmia parantaa laitettaan tulevaisuudessa. He toivovat järjestelmän pienentämistä entisestään, jotta se soveltuu biolääketieteellisiin käyttötapauksiin. Kuvittele pilleri, joka oli robotti, joka on suunniteltu tutkimaan suolistosi ja ruoansulatuskanavaasi. Kaikki nämä ja muut vaihtoehdot ovat pöydällä.

Bioteknologiaan sijoittaminen

Robotiikka-ala on nopeasti kasvava sektori, joka ulottuu sotakoneita rakentavista yrityksistä aina nieltäviin mikroskooppisiin koneisiin. Tämä monipuolinen sektori on kokenut huomattavia investointeja ja innovaatioita viimeisen vuosikymmenen aikana. Tämä tutkimus on huipentunut nyt kaupallisesti saatavilla olevien tehokkaiden robottien lanseeraukseen. Tässä on yksi yritys, joka jatkaa innovaatioiden edistämistä robotiikassa ja biotekniikassa.

iRhythm Technologies: Johtava tekoälyyn perustuva sydämen seurantayritys

Vaikka nykyistä tutkimusta ei ole vielä kaupallistettu, muut bioteknologiayritykset, kuten iRhythm Technologies, osoittavat jo lupauksen integroida tekoäly terveydenvalvontarobotiikkaan.

iRhythm Technologies (IRTC ) perustettiin vuonna 2006 ja se on rekisteröity Delawaressa. Sen perustaja Uday N. Kumar loi yrityksen tarjoamaan huippuluokan sydän- ja verisuonijärjestelmän seurantajärjestelmiä ensiapuhenkilöille. Sen ensimmäinen tuote oli anturikorjaus, joka otettiin käyttöön terveydenhuoltoalalla.

Nykyään iRhythm Technologies tarjoaa joukon kehittyneitä sydämen seurantalaitteita. Näissä yksiköissä yhdistyvät patentoitu tekoäly ja koneoppiminen rytmihäiriöiden tunnistamiseksi nopeammin. Yhtiö jatkaa tuotteidensa ja tekoälyn parantamista integroimalla tietonsa tuleviin laitteisiin. Niiden, jotka etsivät pääsyä bioteknologiayritykseen, jolla on jo vahva tuki markkinoilla, tulisi harkita IRCTC:tä.

Uusin iRhythm Technologies

Miksi pehmeät robotit voisivat pelastaa hengen lähitulevaisuudessa?

Kun tarkastellaan näiden laitteiden käyttötapauksia ja ominaisuuksia, on helppo nähdä, että ne täyttävät markkinaraon, johon perinteiset robotit eivät koskaan pystyisi. Siten näiden ainutlaatuisten laitteiden kysyntä kasvaa, kun niiden ominaisuudet ymmärretään paremmin.

Onneksi tämä uusin tutkimus auttaa valaisemaan näitä laitteita ja avaa oven uusille innovaatioille. Toistaiseksi kaikki, jotka ovat kiinnostuneita auttamaan näiden robottien nimeämisessä, voivat lähettää parhaat vaihtoehtonsa Chengille osoitteessa [sähköposti suojattu].

Opi muista hienoista robotiikasta täältä.

Viittaustutkimukset:

^{1. Han, S., Shin, JW., Lee, JH et ai. Langaton, monitoiminen järjestelmäintegroitu ohjelmoitava pehmeä robotti. Nano-Micro Lett. 17, 152 (2025). https://doi.org/10.1007/s40820-024-01601-3}