Nové umelé svaly: ľahšie, bezpečnejšie a robustnejšie roboty

Vedci z ETH Zurich nedávno vyvinuli umelé svaly pre pohyb robotov, no ich riešenie ponúka oproti predtým videným technológiám niekoľko výhod.
Stojí za ďalšie štúdium a dá sa použiť vo všetkých prípadoch, keď roboty musia byť skôr mäkké ako tuhé alebo musia byť citlivejšie pri interakcii s prostredím.
Mnohí robotici snívajú o tom, že postavia roboty, ktoré nie sú len kombináciou kovu alebo iných tvrdých materiálov a motorov, ale sú aj mäkšie a prispôsobivejšie.
„Soft“ automaty môžu interagovať s prostredím úplne iným spôsobom; mohli by napríklad tlmiť nárazy ako ľudské končatiny alebo jemne uchopiť predmet.
To by prinieslo aj výhody týkajúce sa spotreby energie: dnes pohyb robotov zvyčajne vyžaduje veľa energie na udržanie pozície po dlhú dobu, zatiaľ čo mäkké systémy by ju mohli lepšie uložiť.
Takže, čo môže byť jasnejšie ako vziať si ľudský sval za vzor a pokúsiť sa ho znovu vytvoriť?

Zbohom, NCCR Robotics: Celých dvanásť rokov v službách Švajčiarska
Existuje dron, ktorý „lezie“ na stromy, aby ich chránil

Každý prirodzený sval sa tiež stiahne v reakcii na dostatočný elektrický impulz

Fungovanie umelých svalov nevyhnutne vychádza z biológie.
Rovnako ako ich prirodzené náprotivky, aj umelé svaly sa sťahujú v reakcii na elektrický impulz.
Umelé svaly však nepozostávajú z buniek a vlákien, ale z vaku naplneného tekutinou (najčastejšie olejom), ktorého obal je čiastočne pokrytý elektródami.
Keď tieto elektródy dostanú elektrické napätie, spoja sa a vytlačia kvapalinu do zvyšku vaku, ktorý sa ohne, a preto je schopný zdvihnúť závažie.
Jediný vak je analogický krátkemu zväzku svalových vlákien.
Viaceré z týchto vakov je možné spojiť a vytvoriť tak kompletný hnací prvok, ktorý sa tiež nazýva pohon alebo jednoduchšie umelý sval.

Ocenenie ProteusDrone, mäkký robot s mutantnými tvarmi
Robotický pes: švajčiarsky vynález inšpirovaný biológiou zvierat

Pôvodne elektrostatické pohony vyžadovali napätie 6.000 10.000 až XNUMX XNUMX voltov

Myšlienka rozvoja umelých svalov nie je nová, ale doteraz existovala veľká prekážka pre ich realizáciu: elektrostatické pohony pracovali iba s extrémne vysokým napätím, od približne 6.000 10.000 do XNUMX XNUMX voltov.
Táto požiadavka mala niekoľko dôsledkov: napríklad svaly museli byť napojené na veľké zosilňovače vysokého napätia, nefungovali vo vode a neboli pre človeka úplne bezpečné.
Spoločnosť teraz vyvinula nové riešenie Robert Katzschmann, profesor robotiky na ETH Zurich, spolu so Stephanom-Danielom Gravertom, Eliom Varinim a ďalšími kolegami.
V článku na informačnom webe “Science Advances” uverejnili článok o svojej verzii umelého svalu, ktorý v skutočnosti ponúka viacero výhod.
Stephan-Daniel Gravert, ktorý pracuje ako vedecký asistent v laboratóriu Roberta Katzschmanna, navrhol novú škrupinu tašky.

Nový anglicko-švajčiarsky protipožiarny dron na pomoc hasičom
Vo Švajčiarsku sa tak roboti „učia“ tajomstvám trekingu

Riešenie do budúcnosti? Dnes pochádza z vysoko permeabilného feroelektrického materiálu

Výskumníci nazývajú nové umelé svaly ovládačmi HALVE, kde HALVE znamená „hydraulicky zosilnené nízkonapäťové elektrostatické“.
„V iných ovládačoch sú elektródy umiestnené na vonkajšej strane plášťa. U nás je škrupina zložená z niekoľkých vrstiev. Zobrali sme feroelektrický materiál s vysokou permeabilitou, t. j. schopný uchovať relatívne veľké množstvo elektrickej energie, a skombinovali sme ho s vrstvou elektród. Potom sme všetko potiahli polymérovým plášťom, ktorý má vynikajúce mechanické vlastnosti a robí tašku stabilnejšou“vysvetľuje.
Týmto spôsobom vedci dokázali znížiť požadované napätie, pretože oveľa vyššia permitivita feroelektrického materiálu umožňuje dosiahnuť veľké sily aj napriek nízkemu napätiu.
Stephan-Daniel Gravert a Elia Varini nielen spoločne vyvinuli plášť pohonov HALVE, ale v laboratóriu aj samotné pohony postavili na použitie v dvoch špecifických robotoch.

V Tel Avive laboratórium Enel o využití AI a robotiky v energetike
Takto už môže robot Atlas pracovať a interagovať s nami

Technické „kliešte“ a „ryby“ ukazujú, čo dokáže sval navrhnutý vo Švajčiarsku

Jedným z takýchto príkladov robota je chápadlo, ktoré je vysoké 11 centimetrov a má dva prsty.
Každým prstom sa pohybujú tri sériovo zapojené vrecká pohonu HALVE.
Malý batériový zdroj napája robot 900 voltov.
Batéria a zdroj spolu vážia iba 15 gramov.
Celý strmeň vrátane výkonovej a riadiacej elektroniky váži 45.
Uchopovač dokáže uchopiť hladký plastový predmet dostatočnou silou, aby uniesol jeho vlastnú váhu, keď sa predmet zdvihne do vzduchu pomocou lana.
„Tento príklad vynikajúco ukazuje, aké malé, ľahké a efektívne sú pohony HALVE. Znamená to tiež, že sme urobili obrovský krok smerom k nášmu cieľu vytvoriť integrované systémy poháňané svalmi.", spokojne hovorí Katzschmann.
Druhým objektom je plavec podobný rybe, dlhý takmer 30 centimetrov, schopný ľahko sa pohybovať vo vode.
Skladá sa z "hlavy", ktorá obsahuje elektroniku a flexibilného "tela", ku ktorému sú pripojené "hydraulicky zosilnené nízkonapäťové elektrostatické" pohony.
Tieto ovládače sa striedavo pohybujú v rytme, ktorý vytvára typický plavecký pohyb.
Autonómna ryba dokáže prejsť zo stavu stagnácie rýchlosťou tri centimetre za sekundu za 14 sekúnd, a to všetko ponorená do obyčajnej vody z vodovodu.

Robotický pes: švajčiarsky vynález inšpirovaný biológiou zvierat
Vo Švajčiarsku Federálna polytechnika pre transparentnú a spoľahlivú AI

Nové aktuátory sú oveľa robustnejšie ako iné umelé svaly a tiež vodotesné

Tento druhý príklad je dôležitý, pretože demonštruje ďalšiu novú vlastnosť pohonov HALVE.
Keďže elektródy už nie sú chránené mimo plášťa, umelé svaly sú teraz vodotesné a možno ich dokonca použiť ponorené do vodivých kvapalín.
„Ryba ilustruje všeobecnú výhodu týchto akčných členov: elektródy sú chránené pred vonkajším prostredím a naopak, prostredie je chránené elektródami. Takže tieto elektrostatické ovládače môžete používať napríklad vo vode alebo sa ich dotýkať.”, dodáva profesor z Federálneho technologického inštitútu v Zürichu.
Vrstvená štruktúra obalov má aj ďalšiu výhodu: nové aktuátory sú oveľa robustnejšie ako iné umelé svaly.
V ideálnom prípade by obálky mali byť schopné urobiť veľký pohyb a to rýchlo.
Avšak aj najmenšia výrobná chyba, ako je zrnko prachu medzi elektródami, môže viesť k elektrickému zlyhaniu, akémusi „malému úderu blesku“.

4. novembra sa v Lausanne koná „švajčiarsky deň robotiky“
S DroneHub bezprecedentnou... „voliérou“ pre výskum dronov

Problémy „Mini lightning“ vyriešené, spoločnosti pripravené na veľkovýrobu

„Keď sa to stalo v predchádzajúcich modeloch, elektróda vyhorela a vytvorila dieru v plášti. To umožnilo úniku kvapaliny a ovládač sa stal nepoužiteľným“, vysvetľuje Stephan-Daniel Gravert.
Tento problém bol vyriešený v pohonoch HALVE, pretože jeden otvor sa v podstate sám uzavrie vďaka ochrannej vonkajšej plastovej vrstve.
Vďaka tomu zostáva puzdro plne funkčné aj po elektrickej poruche.
Dvaja výskumníci sú zjavne šťastní, že urobili rozhodujúci prelom vo vývoji umelých svalov, no sú aj realistickí.
Ako hovorí Robert Katzschmann, „Teraz musíme pripraviť túto technológiu na výrobu vo veľkom meradle, a to nemôžeme urobiť tu v laboratóriu ETH. Bez prílišných odhalení môžem povedať, že už teraz registrujeme záujem spoločností, ktoré by s nami chceli spolupracovať.“
Napríklad umelé svaly by sa raz mohli využívať v nových robotoch, protetike alebo nositeľných zariadeniach.
Inými slovami, v technológiách na použitie v ľudskom tele a na ľudskom tele...

Malina vyrobená zo silikónu, ktorá dáva robotom pokyn na zber
Správna pocta z Lugana mladému robotickému tímu Smilebots