Phát triển robot bằng lực hút đa quy mô

Robot và nghiên cứu về robot là một lĩnh vực không ngừng phát triển, tiếp tục khám phá những con đường mới để làm cho quy trình của chúng ta hiệu quả và tối ưu hơn. Những nỗ lực và khám phá này thường được lấy cảm hứng từ thiên nhiên và thế giới động vật xung quanh chúng ta. Ví dụ, các nhà khoa học tại Đại học Bristol đã phát triển một cốc hút robot với khả năng hút siêu thích ứng tương tự như giác hút sinh học của Bạch tuộc. 

Cơ chế hút lấy cảm hứng từ bạch tuộc trong robot

Mọi chuyện bắt đầu với việc Phòng thí nghiệm Robotics Bristol nghiên cứu cấu trúc của các giác hút sinh học của bạch tuộc, chúng thể hiện khả năng hút ở mức độ rất cao và có thể neo vào bất kỳ tảng đá nào theo cách tối ưu nhất có thể. Nghiên cứu này dẫn đến việc tạo ra cấu trúc mềm nhiều lớp và hệ thống chất lỏng nhân tạo có thể hoạt động giống như cấu trúc cơ và chất nhầy của Bạch tuộc.  

Trong khi giải thích về thành tựu quan trọng nhất của nghiên cứu này, Tianqi Yue, tác giả chính của bài báo, cho biết như sau: “Sự phát triển quan trọng nhất là chúng tôi đã chứng minh thành công tính hiệu quả của sự kết hợp giữa hình dạng cơ học – việc sử dụng vật liệu mềm để phù hợp. đến hình dạng bề mặt và chất lỏng bịt kín – sự lan truyền của nước lên bề mặt tiếp xúc để cải thiện khả năng thích ứng hút trên các bề mặt phức tạp. Nó cũng có thể là bí mật đằng sau khả năng của các sinh vật sinh học trong việc đạt được lực hút thích nghi.”

Do đó, bước phát triển quan trọng sẽ cao hơn một bậc so với chế độ hút nhân tạo hiện tại và bước vào lĩnh vực hút thích ứng—khả năng bám vào các bề mặt khó khăn và phức tạp nhất. T cần một cơ chế hút đa năng và nghiên cứu đã chứng minh cách đạt được cơ chế đó. 

Nghiên cứu lịch sử để hiểu rõ hơn cách thức hoạt động của máy hút bạch tuộc

Hiểu cách hoạt động của lực hút ở Bạch tuộc từ lâu đã là lĩnh vực được cộng đồng khoa học quan tâm. Các nhà nghiên cứu biết rằng Bạch tuộc có thể di chuyển các giác hút của chúng một cách độc lập và nắm bắt các vật thể khi cần thiết. 

Một nghiên cứu được thực hiện bởi các nhà nghiên cứu ở Livorno đã nghiên cứu bạch tuộc hơn một thập kỷ trước và phát hiện ra rằng các cạnh và cạnh của mút của chúng được chế tạo độc đáo. Các giác hút của chúng có các rãnh nhỏ đồng tâm, giúp chúng tạo thành một lớp bám chắc chắn trên bất kỳ bề mặt gồ ghề nào dưới nước. 

Các rãnh tương tự cũng có thể được nhìn thấy ở phần trên, tạo ra một lớp bịt kín hiệu quả và mạnh mẽ nhưng vẫn chịu được áp suất thấp. 

Trong khi tìm hiểu thêm về hiện tượng áp suất thấp này, các nhà nghiên cứu đã đưa ra nhiều hiểu biết sâu sắc hơn về các ống hút. Họ phát hiện ra rằng mặc dù các cạnh và cạnh của mút mềm mại nhưng phần trên lại cứng hơn nhiều. Độ đàn hồi kém hơn này, trong mọi khả năng, đã hỗ trợ tạo ra áp suất thấp cục bộ, giúp độ bám dính vượt trội, chắc chắn và hiệu quả. 

Kể từ phát hiện này, đã có nhiều cuộc thảo luận về việc bắt chước cơ chế hút của Bạch tuộc trong robot. Bây giờ, chúng ta có thể thấy những nỗ lực đã đạt được kết quả. 

Cơ chế đa hút và nó bị nứt như thế nào!

Nghiên cứu đề xuất rằng các cơ chế hút đột biến giống bạch tuộc có thể được nhân rộng thông qua sự kết hợp hữu cơ của cấu trúc cơ học và khả năng bịt kín nước được điều chỉnh. Các vật liệu mềm nhiều lớp mà giải pháp robot triển khai lần đầu tiên đã tạo ra cấu trúc cơ học thô cho bề mặt, cuối cùng làm giảm các khe hở rò rỉ xuống micromet. Những khẩu độ có kích thước micron này sau đó được niêm phong bằng cách điều tiết nước từ hệ thống chất lỏng nhân tạo. 

Ý nghĩa tương lai của nghiên cứu này

Trong khi nêu bật các lĩnh vực ứng dụng tiềm năng của nó, các nhà nghiên cứu lưu ý rằng sự phát triển này có thể mở đường cho các thiết bị kẹp robot có khả năng xử lý nhiều bề mặt khô phức tạp. Họ nhấn mạnh tầm quan trọng của cơ chế hút thích ứng đa quy mô này trong việc phát triển các chiến lược hút thích ứng độc đáo và hiệu quả hơn, có thể dẫn đến đầy đủ các cơ chế bám dính mềm, linh hoạt. 

Trong khi chỉ ra sự cải tiến mà giải pháp này mang lại so với các giải pháp hiện có, Tianqi Yue cho biết:

“Các giải pháp công nghiệp hiện nay sử dụng máy bơm không khí luôn hoạt động để chủ động tạo ra lực hútTuy nhiên, đây là những thứ ồn ào và lãng phí năng lượng.” 

Giải pháp hiện tại không cần máy bơm nên ưu việt hơn. Và đúng như mong đợi của các nhà phát triển, giải pháp hiện tại sẽ dẫn đến các dụng cụ kẹp robot thế hệ tiếp theo có thể nắm bắt các vật thể bất thường khác nhau một cách hiệu quả. Bản thân nhóm nghiên cứu đang lên kế hoạch tạo ra một chiếc cốc hút thông minh với các cảm biến nhúng có thể điều chỉnh hoạt động của chiếc cốc một cách hiệu quả.

Mặc dù nghiên cứu này và giải pháp mà nó đề xuất chắc chắn được coi là một bước đột phá nhưng cộng đồng khoa học và chế tạo robot luôn được truyền cảm hứng từ Octopuses. 

Sinh vật tuyệt vời đó là bạch tuộc

Cấu trúc di truyền của bạch tuộc độc đáo đến mức nó khác biệt đáng kể so với hầu hết mọi sinh vật trên hành tinh này. MỘT Nghiên cứu DNA trên bạch tuộc tiết lộ rằng họ sở hữu khoảng 33,000 gen, nhiều hơn con người khoảng 10,000 gen. Không giống như con người và nhiều loài động vật khác có thể cải thiện mã di truyền của mình, Bạch tuộc có khả năng chỉnh sửa RNA của chính mình một cách đáng kinh ngạc. 

Cũng có một số điểm tương đồng với con người. Và những điểm tương đồng này đã giúp chúng trở nên thông minh hơn giống con người. 

Ví dụ, Bạch tuộc sở hữu một bộ gen giống con người góp phần tạo nên mạng lưới thần kinh trong não của chúng. Mạng lưới thần kinh này giúp chúng có thể thích nghi với nhiều hoàn cảnh khác nhau và học hỏi nhanh chóng. Ngoài ra, khả năng chỉnh sửa RNA giúp tăng cường khả năng thích ứng, cho phép chúng chịu được cái lạnh cực độ của đại dương sâu thẳm. 

Bằng chứng trực quan, Bạch tuộc có bộ não lớn. Và, giống như con người, chúng sở hữu một hệ thống tuần hoàn khép kín, mắt, võng mạc và thủy tinh thể được bảo vệ bằng mống mắt. 

Bạch tuộc cũng có khả năng ngụy trang tốt nhất. Bây giờ mã di truyền của họ đã có đã được giải mã, các nhà khoa học sẽ dễ dàng nắm bắt được cách họ đạt được điều này hơn. Chúng thay đổi màu da trong một phần nghìn giây, một khả năng mà các nhà thần kinh học, kỹ sư vải và kỹ sư kết cấu có thể hưởng lợi.  

Tâm trí của bạch tuộc

Sự thông minh về mặt sinh lý của Bạch tuộc, đặc biệt là bộ não lớn của nó, đã thúc đẩy các nhà khoa học nghiên cứu sâu hơn về quá trình nhận thức của nó. 

Vào năm 2016, Peter Godfrey-Smith, Giáo sư Triết học xuất sắc tại Trung tâm Sau đại học, Đại học Thành phố New York, đồng thời là giáo sư lịch sử và triết học khoa học tại Đại học Sydney ở Úc, đã viết một cuốn sách có tựa đề 'Những tâm trí khác: Con bạch tuộc, biển cả và nguồn gốc sâu xa của ý thức.' Trong đó, ông viết:

“Bạch tuộc và họ hàng của chúng (mực và mực) đại diện cho một hòn đảo có tinh thần phức tạp trong biển động vật không xương sống. Kể từ lần gặp đầu tiên của tôi với những sinh vật này khoảng một thập kỷ trước, tôi đã bị thu hút bởi cảm giác gắn kết mạnh mẽ có thể có được khi tương tác với chúng.”

Trong cuốn sách, Giáo sư Godfrey-Smith nhấn mạnh rằng một con bạch tuộc thông thường có khoảng 500 triệu tế bào thần kinh trong cơ thể. Mặc dù con số này ít hơn nhiều so với những gì con người có – gần 100 tỷ con – nhưng bạch tuộc khá thông minh. trong đó họ có thể định hướng trong các mê cung đơn giản và sử dụng các tín hiệu thị giác một cách hiệu quả để phân biệt hai môi trường khác nhau nhưng quen thuộc và tìm ra con đường tốt nhất. 

Chính sự kết hợp giữa trí thông minh và đặc điểm sinh lý độc đáo đã khiến bạch tuộc nổi bật giữa hàng đợi. Về bản chất, lĩnh vực robot luôn cố gắng đạt được trạng thái này, nơi các công cụ thông minh sẽ hoàn thành các nhiệm vụ phức tạp. Không có gì ngạc nhiên khi các sinh viên chế tạo robot đã liên tục khám phá sinh vật tuyệt vời này. Ngoài các nhà nghiên cứu tổ chức, một số công ty nổi tiếng đang hoạt động trong lĩnh vực này. 

# 1. quả sung

Một công ty luôn quan tâm đến việc bắt chước khả năng của bạch tuộc trong các sản phẩm của mình là ABB. Năm 2018, ABB Technological Ventures, chi nhánh đầu tư mạo hiểm chiến lược của ABB, đã hợp tác với Soft Robotics, một công ty con của Tập đoàn Whitesides. 

Lấy cảm hứng từ chức năng của xúc tu bạch tuộc, Soft Robotics đã phát triển các bộ truyền động robot mềm từ polyme hoạt động mà không cần cảm biến hoặc thiết bị cơ điện. Công ty đã xây dựng và nhúng sức mạnh tính toán trực tiếp vào chính dụng cụ kẹp và phát triển hỗn hợp vật liệu độc quyền với các kênh vi lỏng mô phỏng các mô mềm của bàn tay con người. 

Những phát triển gần đây trong việc tích hợp lực hút đa quy mô vào robot tiên tiến có thể nâng cao hiệu quả và hiệu quả của các công nghệ này. 

Bạch tuộc, được biết đến với trí thông minh cao hơn và cấu trúc mắt phức tạp giống con người, đã truyền cảm hứng cho những phát triển quan trọng trong lĩnh vực chế tạo robot. Năm nay, ABB mua lại Sevensense, một công ty công nghệ Thụy Sĩ chuyên tăng cường khả năng di chuyển của robot công nghiệp bằng cách trang bị cho chúng khả năng thị giác và nhận thức.

Trong năm tài chính 2023, Tập đoàn ABB báo cáo doanh thu 32.2 tỷ USD. Công ty cũng đã đầu tư đáng kể 1.3 tỷ USD vào nghiên cứu và phát triển. Trong khi đó, tỷ suất lợi nhuận EBITA hoạt động của nó là gần 17%. 

# 2. Festo

Trong một trường hợp khác, khi một công ty chế tạo robot hàng đầu đã thể hiện sự quan tâm và có thể tận dụng lực hút đa quy mô hơn nữa để nâng cao khả năng của họ, chúng tôi xem xét công ty chế tạo robot của Đức. Bot của Festo lấy cảm hứng từ bạch tuộc. 

Ban đầu được đặt tên là OctopusGripper, thiết bị robot này có thể nhặt, giữ và đặt vật phẩm xuống bằng cách sử dụng sự kết hợp giữa ống hút và không khí. Kể từ đó nó đã được đổi tên thành Dụng cụ kẹp xúc tu. Công ty mô tả dụng cụ kẹp sinh học này có cấu trúc silicon mềm việc này có thể được điều khiển bằng khí nén. Khi khí nén được cung cấp, dụng cụ kẹp có thể uốn cong vào trong, cho phép nó tự quấn quanh các vật dụng một cách an toàn. 

Về mặt cấu trúc, dụng cụ kẹp có hai hàng ống hút được gắn vào bên trong các xúc tu silicon. Các cốc hút nhỏ được đặt ở đầu kẹp, mang lại hiệu ứng thụ động, trong khi các cốc hút lớn hơn, chạy bằng chân không, giúp vật thể bám chặt vào kẹp. 

Festo đã thử nghiệm robot này trên hai robot nhẹ chạy bằng khí nén cũng được phát triển trong Mạng học tập Bionic: BionicMotionRobot và BionicCobot. Do tính chất động học của chúng, cả hai robot này đều linh hoạt và có thể được làm cứng theo nhiều cách khác nhau. 

từ xúc tu nhân tạo đã được phát triển từ một chất liệu mềm mại, nó có thể cầm nắm nhẹ nhàng và êm ái. Công ty khẳng định giải pháp này có tiềm năng lớn cho những nơi làm việc hợp tác trong tương lai. 

Về mặt doanh thu, năm tài chính 2023 là năm hợp nhất của công ty. Theo tới một trong những thông cáo báo chí của Festo, doanh thu được ghi nhận của nó chỉ thấp hơn mức của năm trước (-4.3% xuống khoảng 3.65 tỷ euro). 

Bất chấp doanh thu giảm nhẹ, công ty tuyên bố vẫn tiếp tục đầu tư mạnh vào nghiên cứu, phát triển và mở rộng nguồn cung thị trường khu vực. Cụ thể hơn, công ty đã đầu tư 7.7% doanh thu vào hoạt động nghiên cứu và phát triển vào năm 2023. 

Về Robotics Lấy cảm hứng từ Thiên nhiên và Vương quốc Động vật

Hôm nay, chúng ta đã thảo luận về một trường hợp cụ thể về việc robot lấy tín hiệu từ giác hút của Bạch tuộc. Tuy nhiên, nhìn ở góc độ rộng hơn, nó có thể lấy tín hiệu từ toàn bộ thế giới tự nhiên xung quanh chúng tôi. Và nhiều sáng kiến ​​về robot lấy cảm hứng từ sinh học đã được triển khai rộng rãi. 

Ví dụ: vào tháng 2024 năm XNUMX, nghiên cứu đã được công bố trình bày một robot phát triển tự động lấy cảm hứng từ các chiến lược thích ứng hành vi của cây leo để điều hướng các môi trường không có cấu trúc. Những robot này có thể bắt chước các chồi đỉnh của cây leo để cảm nhận và điều phối sự tăng trưởng thích ứng bổ sung thông qua cơ chế sản xuất phụ gia nhúng và đầu cảm biến.

Nghiên cứu quan trọng cũng diễn ra trong lĩnh vực vật liệu tương thích với chế tạo robot mềm. Cách đây vài năm, một nhóm gồm Đại học Minnesota Twin thành phố các nhà khoa học và kỹ sư đã phát triển một quy trình lấy cảm hứng từ thực vật để hỗ trợ tăng trưởng vật liệu tổng hợp. 

 Giải pháp có thể giúp các nhà nghiên cứu sản xuất các robot mềm cải tiến có khả năng điều hướng các địa hình phức tạp, ngay cả trong cơ thể con người. Theo Matthew Hausladen, tác giả đầu tiên của bài báo, các nhà nghiên cứu thực sự được truyền cảm hứng từ cách phát triển của thực vật và nấm. Các nhà nghiên cứu cho biết:

“Chúng tôi (nhóm các nhà nghiên cứu) đã lấy ý tưởng rằng thực vật và nấm bổ sung vật chất vào phần cuối cơ thể, ở đầu rễ hoặc ở chồi mới và chúng tôi chuyển ý tưởng đó sang một hệ thống kỹ thuật”. 

Thế giới tự nhiên đã trải qua vô số thay đổi và thay đổi hơn chúng ta có thể có thể hãy tưởng tượng, với những loài động vật sống sót và thích nghi qua hàng thiên niên kỷ. Chúng ta phải nghiên cứu kỹ thuật thích ứng đáng kinh ngạc của chúng một cách tỉ mỉ và quan sát chúng chi tiết hơn. Cố gắng tái tạo chúng theo đúng tinh thần thực sự của chúng sẽ luôn giúp chúng ta đạt được nhiều thành tựu hơn những gì chúng ta có thể tưởng tượng trong lĩnh vực khoa học và công nghệ. 

Bấm vào đây để xem danh sách mười công ty chế tạo robot tốt nhất.