Нови изкуствени мускули: по-леки, по-безопасни и по-здрави роботи

Изследователи от ETH Zurich наскоро разработиха изкуствени мускули за движение на роботи, но тяхното решение предлага няколко предимства пред досегашните технологии.
Достоен за по-нататъшно проучване, той може да се използва във всички случаи, когато роботите трябва да са меки, а не твърди или трябва да бъдат по-чувствителни при взаимодействие с околната среда.
Много роботици мечтаят да създават роботи, които не са просто комбинация от метал или други твърди материали и двигатели, но и по-меки и по-адаптивни.
„Меките“ автомати могат да взаимодействат с околната среда по напълно различен начин; например, те биха могли да смекчат ударите като човешките крайници или да хванат деликатно предмет.
Това също би предложило предимства по отношение на консумацията на енергия: днес движението на роботите обикновено изисква много енергия, за да поддържат позиция за дълго време, докато меките системи биха могли да я съхраняват по-добре.
И така, какво може да бъде по-очевидно от това да вземем човешкия мускул като модел и да се опитаме да го пресъздадем?

Сбогом, NCCR Robotics: Дванадесет пълни години в служба на Швейцария
Има дрон, който се "катери" по дърветата, за да ги пази

Всеки естествен мускул също се свива в отговор на достатъчен електрически импулс

Функционирането на изкуствените мускули задължително се основава на биологията.
Подобно на естествените си двойници, изкуствените мускули се свиват в отговор на електрически импулс.
Изкуствените мускули обаче не се състоят от клетки и влакна, а от торбичка, пълна с течност (обикновено масло), чиято обвивка е частично покрита с електроди.
Когато тези електроди получат електрическо напрежение, те се събират и избутват течността в останалата част от торбичката, която се огъва и следователно може да повдигне тежест.
Единичен сак е аналогичен на къс сноп от мускулни влакна.
Няколко от тези торби могат да бъдат свързани заедно, за да образуват цялостен задвижващ елемент, който също се нарича задвижващ механизъм или, по-просто, изкуствен мускул.

Награда за ProteusDrone, мекият робот с мутантни форми
Куче робот: швейцарското изобретение, вдъхновено от животинската биология

Първоначално електростатичните задвижващи механизми изискваха напрежение от 6.000 10.000 до XNUMX XNUMX волта

Идеята за разработване на изкуствени мускули не е нова, но досега имаше голяма пречка пред реализацията им: електростатичните задвижващи механизми работеха само с изключително високи напрежения, от около 6.000 до 10.000 XNUMX волта.
Това изискване имаше няколко последствия: например, мускулите трябваше да бъдат свързани към големи, тежки усилватели на напрежение, те не работеха във вода и не бяха напълно безопасни за хората.
Сега е разработено ново решение от Робърт Кацшман, професор по роботика в ETH Zurich, заедно със Stephan-Daniel Gravert, Elia Varini и други колеги.
Те публикуваха статия за тяхната версия на изкуствен мускул, която всъщност предлага няколко предимства, в статия на информационния уебсайт „Science Advances“.
Стефан-Даниел Граверт, който работи като научен сътрудник в лабораторията на Робърт Кацшман, проектира нова черупка за чантата.

Нов англо-швейцарски противопожарен дрон в помощ на пожарникарите
Така в Швейцария роботи „научават” тайните на трекинга

Решението за бъдещето? Днес той идва от фероелектричен материал с висока пропускливост

Изследователите наричат ​​новите изкуствени мускули актуатори HALVE, където HALVE означава „хидравлично усилен електростатичен ниско напрежение“.
„При други задвижващи механизми електродите са разположени от външната страна на корпуса. При нас черупката е съставена от няколко слоя. Взехме фероелектричен материал с висока пропускливост, т.е. способен да съхранява относително големи количества електрическа енергия, и го комбинирахме със слой от електроди. След това покрихме всичко с полимерна обвивка, която има отлични механични свойства и прави чантата по-стабилна.”обяснява той.
По този начин изследователите успяха да намалят необходимото напрежение, тъй като много по-високата диелектрична проницаемост на фероелектричния материал позволява да се постигнат големи сили въпреки ниското напрежение.
Stephan-Daniel Gravert и Elia Varini не само разработиха обвивката на актуаторите HALVE заедно, но също така построиха самите актуатори в лабораторията за използване в два специфични робота.

В Тел Авив лаборатория на Enel за използването на AI и роботика в енергетиката
Ето как роботът Atlas вече може да работи и взаимодейства с нас

Технически „щипки“ и „риби“ показват какво може мускулът, проектиран в Швейцария

Един такъв пример за робот е грайфер, който е висок 11 сантиметра и има два пръста.
Всеки пръст се движи от три последователно свързани джоба на актуатора HALVE.
Захранване с малка батерия захранва робота с 900 волта.
Заедно батерията и захранването тежат само 15 грама.
Целият шублер, включително електрониката за захранване и управление, тежи 45.
Захватът може да захване гладък пластмасов предмет с достатъчно сила, за да издържи собственото си тегло, когато обектът се повдигне във въздуха с въже.
„Този ​​пример отлично демонстрира колко малки, леки и ефективни са актуаторите HALVE. Това също означава, че сме направили огромна крачка към нашата цел да създадем интегрирани системи, управлявани от мускули.", казва Кацшман със задоволство.
Вторият обект е плувец, подобен на риба, дълъг почти 30 сантиметра, способен да се движи лесно във водата.
Състои се от "глава", която съдържа електрониката и гъвкаво "тяло", към което са прикрепени "хидравлично усилени нисковолтови електростатични" задвижващи механизми.
Тези задвижващи механизми се движат последователно в ритъм, който произвежда типичното плувно движение.
Автономната риба може да излезе от състояние на застой със скорост от три сантиметра в секунда за 14 секунди и всичко това потопена в обикновена чешмяна вода.

Куче робот: швейцарското изобретение, вдъхновено от животинската биология
В Швейцария Федералната политехника за прозрачен и надежден AI

Новите задвижващи механизми са много по-здрави от другите изкуствени мускули, както и водоустойчиви

Този втори пример е важен, защото демонстрира друга нова характеристика на актуаторите HALVE.
Тъй като електродите вече не са защитени извън обвивката, изкуствените мускули вече са водоустойчиви и дори могат да се използват потопени в проводими течности.
„Рибата илюстрира общо предимство на тези задвижващи механизми: електродите са защитени от външната среда и, обратното, околната среда е защитена от електродите. Така че можете да използвате тези електростатични задвижващи механизми във вода или да ги докоснете, например., допълва професорът от Федералния технологичен институт в Цюрих.
Слоестата структура на обвивките има и друго предимство: новите задвижващи механизми са много по-здрави от другите изкуствени мускули.
В идеалния случай пликовете трябва да могат да извършват голямо движение и то бързо.
Но дори и най-малката производствена грешка, като прашинка между електродите, може да доведе до електрическа повреда, нещо като „мини мълния“.

На 4 ноември в Лозана "Швейцарският ден на роботиката"
С DroneHub безпрецедентна… „волиера“ за изследване с дронове

Проблемите с „мини светкавицата“ са решени, компаниите са готови за мащабно производство

„Когато това се случи в предишни модели, електродът изгоря, създавайки дупка в черупката. Това позволи на течността да изтече и направи задвижващия механизъм неизползваем.", обяснява Стефан-Даниел Граверт.
Този проблем е решен в актуаторите HALVE, тъй като един единствен отвор по същество се затваря сам, благодарение на защитния външен пластмасов слой.
В резултат на това кутията остава напълно функционална дори след електрическа повреда.
Двамата изследователи очевидно са щастливи, че са направили решителен пробив в развитието на изкуствените мускули, но са и реалисти.
Както казва Робърт Кацшман, „Сега трябва да подготвим тази технология за широкомащабно производство и не можем да направим това тук, в лабораторията на ETH. Без да правя много разкрития, мога да кажа, че вече регистрираме интерес от компании, които биха искали да работят с нас."
Например, изкуствените мускули биха могли един ден да се използват в нови роботи, протези или устройства за носене.
С други думи, в технологии за използване в и върху човешкото тяло...

Малина, направена от... силикон, за да инструктира роботите да берат реколтата
Правилната почит от Лугано към младия екип по роботика на Smilebots