ساخت ربات های نرم، فرصت ها و چالش ها

بیشتر ربات‌های سنتی با مواد سفت مانند فولاد، آلومینیوم و پلاستیک ABS ساخته می‌شوند. آنها معمولاً توسط موتورهای الکتریکی یا پمپ‌هایی تغذیه می‌شوند که سیالات هیدرولیک را از طریق لوله‌های صلب تحت فشار قرار می‌دهند. این ماشین‌ها می‌توانند نیروهای بزرگ، سرعت بالا و دقت بسیاری تولید کنند که در خطوط مونتاژ کارخانه بسیار کارآمد است. با این حال، تنها تعداد کمی از این ماشین‌ها می‌توانند در محیط‌های طبیعی یا نزدیک به انسان کار کنند. جدا از نگرانی‌های ایمنی، این ربات‌ها در سازگاری با موقعیت‌های مختلف خیلی خوب و مناسب نیستند. بنابراین، علاقه فزاینده‌ای به ساخت ربات‌ها با مواد نرم برای غلبه بر برخی از این موانع وجود دارد. ربات‌های نرم قادر به تغییر اندازه و شکل هستند. با مجله فناوری‌های توان‌افزا و پوشیدنی همراه باشید.

ساخت ربات های نرم، فرصت ها و چالش ها

چرا به ربات‌های نرم نیاز داریم؟

یکی از اهداف این است که ماشین‌های سازگارتر و شبیه به توانایی حیوانات بسازند. انسان‌ها می‌توانند از پله ها بالا و پایین بروند، در یک اتاق به هم ریخته حرکت کنند یا اجسام ظریف را جابجا کنند. حتی برای پیشرفته‌ترین ماشین‌ها، این کارها بسیار دشوار است. بخشی از مسئله این است که ربات‌های سفت در کنترل خود بسیار دقیق هستند. آنها دائماً وضعیت / گشتاور بدن خود را کنترل می‌کنند و حرکات خود را به شدت برنامه‌ریزی می‌کنند. این امر ضروری است زیرا ربات‌های سفت در صورت ناپایدار شدن به راحتی می‌توانند به خود یا محیط زیست آسیب برسانند.

زمانی که یک ربات دارای مفاصل بسیار (درجه آزادی بالا) باشد راه‌های بسیاری برای حرکت دادن بدن خود دارد؛ در این شرایط حفظ دقت حرکات بسیار دشوار می‌شود. هنگامی‌ که ربات وارد محیط‌های طبیعی یا انسانی می‌شود، با تنوع و شرایط دائماً در حال تغییر، مشکل تشدید می‌شود. اصطکاک سطحی، موانع سخت و نرم، کف ناهموار و اجسام متحرک تنها برخی از متغیرهایی هستند که بر عملکرد ربات تأثیر می‌گذارند. چنین ربات‌هایی نمی‌توانند تمام نیروها و جابجایی‌های مورد نیاز را برای حفظ دقت محاسبه کنند.

این محاسبات را می‌توان با طراحی بدنه به گونه‌ای که به طور خودکار از سینماتیک و دینامیک طبیعی بهره‌برداری می‌کند تا حد بسیاری کاهش داد. برای نمونه، ربات‌های پویا می‌توانند بدون مغز راه بروند، زیرا پاها و نیم‌تنه آن‌ها به صورت مکانیکی در تعامل هستند و راه رفتن را با ظاهری بسیار طبیعی ایجاد می‌کنند. این مفهوم را می‌توان گسترش داد تا خواص مکانیکی مواد ساختاری را نیز در برگیرد.

اغلب، مواد نرم پاسخ‌های غیرخطی به نیروهایی با ویژگی‌هایی مانند شبه‌الاستیسیته، ویسکوالاستیسیته، ناهمسانگردی، تسلیم، خزش و نرم شدن یا سخت شدن دارند. در نتیجه، مواد نرم مختلف برای هر قسمت از بدن را می‌توان انتخاب کرد و با عملکرد ربات مطابقت داد. یکی از مهم‌ترین تفاوت‌های میان حیوانات و ربات‌های فعلی استفاده گسترده از مواد نرم است. حتی در حیواناتی مانند انسان، اسکلت سفت و سخت کمتر از ۱۵ درصد وزن کل بدن را تشکیل می‌دهد. بقیه بافت بسیار نرم است. مواد نرم در جذب انرژی ناشی از ضربه، میرایی نوسانات و صاف کردن حرکات و نیروهای نامنظم عالی هستند. انتظار می‌رود این ویژگی‌ها موجب شود ربات‌ها در حرکات طبیعی‌تر و به طور کلی سازگارتر و قوی‌تر شوند.

چالش‌های ساخت ربات‌های نرم

ساختار اصلی بدنه یا شاسی، حسگرها، ریزپردازنده (یک سیستم کنترل مرکزی)، محرک‌ها یا موتورها، منبع تغذیه و یک برنامه کلی برای رفتار آن، همگی برای کار یک ربات مستقل مورد نیاز هستند. ریخته‌گری، قالب‌گیری تزریقی و چاپ سه بعدی همگی می‌توانند برای ساخت شاسی از مواد نرم استفاده شوند. حتی اجزای صلب را می‌توان بدون به خطر انداختن ویژگی‌های نرم در ربات‌ها گنجاند، زیرا اکنون می‌توان حسگرها و ریزپردازنده‌ها را در مقیاس کوچکی تولید کرد.

در حال حاضر به لطف فناوری‌های جدید می‌توان قطعات الکترونیکی را منعطف یا کشسان ساخت. یافتن محرک‌ها، طرح‌های کنترلی و منابع برق مناسب مشکل است. موتورهای کوچک ناکارآمد هستند و موتورهای الکتریکی سنتی را نمی‌توان به همان روشی که حسگرها می‌توانند، کوچک سازی و توزیع کرد. برخی از ربات‌های نرم از سیستم‌های هیدرولیک و پنوماتیک استفاده کرده‌اند. با این حال، از اجزای سفت استفاده می‌شود و پمپ‌ها دور از ساختار نرم نگه داشته می‌شوند. انتظار می‌رود محرک‌های نرم مانند پلیمرهای الکترو فعال (EAPs)، ژل‌های ماکرومتخلخل و سایر مواد به طور گسترده‌تری در دسترس باشند. اما آنها هم محدودیت‌های قابل توجهی به عنوان موتورهای ربات دارند.

سیم‌ها یا فویل‌های آلیاژی حافظه‌دار در برخی از پرکاربردترین محرک‌های نرم استفاده می‌شوند. این‌ها آلیاژهای فلزی هستند که با گرم شدن تغییر شکل می‌دهند. محرک‌های رزوه مانند را می‌توان با سیم‌پیچی سیم‌های ظریف و تغییر طول آنها در پاسخ به اثر گرمایش جریان الکتریکی که از آنها می‌گذرد، ساخت. سیم‌پیچ‌های آلیاژی حافظه‌دار مانند ماهیچه‌ها عمل می‌کنند، اما به دلیل ناسازگاری، ناکارآمدی و آسیب‌پذیری در برابر عوامل محیطی کاربردی ندارند. عضله زنده از بسیاری جهات یک محرک خطی نرم ایده‌آل است، و چندین گروه تحقیقاتی در حال ساخت ماشین‌هایی با ویژگی‌های عضله هستند.

تأمین انرژی عملگرها نیز یک چالش مهم است. هر چیزی که با برق کار می‌کند به باتری یا خازن برای ذخیره انرژی نیاز دارد. آنها حتی اگر بتوانند نسبتاً منعطف باشند، هنوز به صورت تجاری در دسترس نیستند و چگالی انرژی پایینی دارند. این موجب کاهش دامنه عملکرد دستگاه با باتری می‌شود. انرژی شیمیایی، معمولاً در هیدروکربن‌ها، برای ذخیره انرژی بهتر است. مولکول‌های آلی چگالی انرژی بالایی دارند، به همین دلیل است که بنزین سوخت محبوبی برای موتورهای مدرن است و اینکه چربی منبع اولیه انرژی برای حیوانات مهاجر است. چندین سازمان در حال توسعه فناوری‌هایی برای تبدیل انرژی شیمیایی به انرژی مکانیکی هستند. عضله با احتراق ایمن قندها، چربی‌ها و پروتئین‌های دوستدار محیط زیست نیرو می‌گیرد، بنابراین راهکارهای بیولوژیکی بار دیگر جذاب‌تر هستند.

توسعه سیستم‌های کنترلی مناسب برای سازه‌های شکل‌پذیر آخرین چالش اصلی در تولید ربات‌های نرم مفید است. بیشتر روش‌های فعلی ما نمی‌توانند حرکات را با درجه آزادی بالا کنترل کنند، به ویژه در محیط‌های غیرقابل پیش‌بینی. این حوزه نیازمند رویکردهای جدید است. به احتمال زیاد از مفهوم محاسبات مورفولوژیکی (تجسم)، که برای نخستین بار در هوش مصنوعی استفاده شد، سود خواهد برد. حیوانات این مشکل کنترلی را حل کردند. و شاید با مطالعه راهکارهای آنها بتوانیم کنترل‌هایی را برای ماشین‌های خودمان با سرعت بیشتری طراحی کنیم.

چگونه از ربات‌های نرم استفاده می‌شود؟

ربات‌های نرم قادر خواهند بود کارهایی را انجام دهند که هیچ ماشین دیگری نمی‌تواند انجام دهد. آنها وارد فضاهای محدود و پیچیده می‌شوند، کابل‌ها، طناب‌ها یا سیم‌ها را دنبال می‌کنند و با استفاده از توانایی تغییر اندازه و شکل، از ساختارهای سه بعدی منشعب بالا می‌روند. ربات های نرم را می‌توان به موقعیت‌های خطرناک فرستاد تا به دنبال بازماندگان بگردند یا لوله‌ها و سیم‌های آسیب دیده را شناسایی و تعمیر کنند. این دستگاه‌ها می‌توانند از مواد زیست سازگار و نرم ساخته شوند تا برای تشخیص و درمان در عمق بدن ایده‌آل باشند. آنها به دلیل زیست سازگاری خود برای کاربردهای حساس به محیط زیست و زیست پالایی (پاکسازی زیستی) جذاب خواهند بود. ربات‌های نرم می‌توانند بسیار ارزان باشند (هر کدام چند دلار) با امکانات تولیدی مناسب.

انبوهی از ربات‌های نرم را می‌توان برای مکان‌یابی و خنثی کردن مین‌ها استفاده کرد که این یک امکان هیجان‌انگیز است. چگالی کم، ایمنی ذاتی و چگالی بالای بسته‌بندی در کاربردهای فضاپیمایی مانند نظارت بر ابزار و محیط مفید خواهد بود. فناوری‌های ربات‌های نرم به کاربردهای سنتی ربات‌ها نیز راه پیدا می‌کنند که یک مزیت غیرمستقیم است. به لطف مواد و سامانه‌های کنترلی جدید، ربات‌های کمکی برای خانه، بیمارستان و محل کار بسیار ایمن‌تر خواهند شد. شاید انقلابی‌ترین جنبه این پیشرفت‌های جدید این باشد که ما با یادگیری طراحی، ساخت و کنترل ربات‌های نرم بتوانیم ماشین‌هایی از بافت‌های زنده و نرم بسازیم. این ربات‌های زیستی به جای کارخانه‌ها در انکوباتورها مونتاژ می‌شوند و با سوخت‌های تجدیدپذیر ایمن مانند چربی‌ها و قندها تغذیه می‌شوند و آسیب‌های جزئی را خود ترمیم می‌کنند.


>> حسگر فشار مقاوم و منعطف نویدبخش فناوری های رباتیک نرم

>> طراحی پیکربندی حسگرهای ربات های نرم با الگوریتم های رایانه ای


منبع:  roboticsbiz.com

«استفاده و بازنشر مطالب تنها با ذکر لینک منبع و نام (مجله فناوری‌های توان‌افزا و پوشیدنی) مجاز است».

پاسخی بگذارید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *