تایتان کوچک: بازوی ربات ۳ دلاری ۵۰۰ گرم را ۵۰۰۰ بار بلند می‌کند و به راحتی در لوله‌ها حرکت می‌کند
مهندسان دستگاه جدیدی ساخته‌اند که به ربات‌ها امکان حرکت با انقباض و انبساط، مشابه عضله انسانی، را می‌دهد.
تیم دانشگاه Northwestern این دستگاه جدید را به نمایش گذاشته است که از آن به عنوان بازوی مصنوعی و ربات نرم استوانه‌ای مشابه کرم استفاده کرده‌اند.
در آزمایش‌ها، ربات نرم استوانه‌ای از زوایای تنگ در محیطی شبیه به لوله عبور کرد و بازو توانست وزنه‌ای به وزن ۵۰۰ گرم را ۵۰۰۰ بار متوالی بلند کند.
با چاپ سه‌بعدی بدن این دستگاه نرم با استفاده از لاستیک معمولی، هزینه ساخت ربات‌ها حدود ۳ دلار به جز موتور کوچک است که به‌طور قابل توجهی از دستگاه‌های سخت معمول که صدها تا هزاران دلار هزینه دارند، ارزان‌تر است.
به گفته محققان، دستگاه جدید می‌تواند منجر به توسعه ربات‌های ارزان، نرم و انعطاف‌پذیر شود که آن‌ها را ایمن‌تر و کاربردی‌تر برای استفاده واقعی می‌کند.
جزئیات تحقیقات تیم در مجله سیستم‌های هوشمند پیشرفته منتشر شده است.
طراحی دستگاه نرم
اگرچه دستگاه‌های سخت در طراحی ربات‌ها مرسوم بوده‌اند، روباتیست‌ها اکنون به دستگاه‌های نرم به عنوان جایگزین به دلیل محدودیت‌های انعطاف‌پذیری، تطبیق‌پذیری و ایمنی دستگاه‌های سخت می‌پردازند.
برای طراحی دستگاه‌های نرم، تیم از عضلات انسانی الهام گرفته است که همزمان منقبض و سفت می‌شوند.
تیم دستگاه جدید را با چاپ سه‌بعدی ساختارهای استوانه‌ای به نام “handed shearing auxetics” (HSAs) از لاستیک توسعه داده است. این HSAs که ساخت آن‌ها چالش‌برانگیز است، دارای ساختاری پیچیده‌ای هستند که حرکات و خصوصیات منحصر به فردی مانند کشش و انبساط هنگام پیچش ایجاد می‌کنند.
محققان قبلاً ساختارهای مشابه HSA را با استفاده از چاپگرهای گران‌قیمت و رزین‌های پلاستیکی سخت چاپ کرده بودند. با این حال، آن HSAs قبلی فاقد انعطاف‌پذیری برای خم شدن یا تغییر شکل بودند.
“برای اینکه این کار کند، ما باید راهی پیدا کنیم تا HSAs را نرم‌تر و با دوام‌تر کنیم. ما متوجه شدیم که چگونه از لاستیک نرم و پایدار HSAs را با استفاده از چاپگر ۳ بعدی ارزان‌تر و موجود در بازار بسازیم،” گفت Taekyoung Kim، محقق پسا دکترا در دانشگاه و اولین نویسنده مطالعه، در بیانیه‌ای.
تیم HSAs را با استفاده از پلی‌اورتان ترموپلاستیک، یک لاستیک معمول در کیس‌های تلفن همراه، چاپ سه‌بعدی کرد. این باعث شد HSAs نرم‌تر و انعطاف‌پذیرتر شوند. با این حال، چالش این بود که آن‌ها را به چرخشی برای رسیدن به کشش و انبساط تبدیل کنند.
نوآوری موتور تک‌گانه
دستگاه‌های HSA قبلی از سروو موتورها برای پیچاندن مواد استفاده می‌کردند، اما مونتاژ دو یا چهار HSA، هر کدام با موتور خود، ساخت دستگاه را پیچیده و انعطاف‌پذیری را کاهش می‌داد. برای غلبه بر این مشکل، محققان تصمیم به طراحی یک HSA تک‌گانه با یک سروو موتور گرفتند. ابتدا باید روشی برای پیچاندن یک HSA با یک موتور توسعه می‌دادند.
برای حل این مشکل، تیم ساختار را به گونه‌ای اصلاح کرد که شامل اکستنسیبل‌ها، بلوزهای نرم لاستیکی بود که مانند محور پیچیده و انعطاف‌پذیر عمل می‌کرد. دستگاه هنگام تولید گشتاور توسط موتور، که نیروی چرخشی است، کشیده می‌شود. دستگاه با چرخاندن موتور در یک جهت یا دیگری به کشش یا انقباض هدایت می‌شود.
محققان از این بلوزها برای ساخت ربات نرم‌افزاری استفاده کردند که می‌توانست با فقط یک دستگاه مستقل به خزیدن بپردازد. دستگاه با فشار دادن و کشیدن در محیطی محدود و پیچ‌وتاب که شبیه یک لوله بود، ربات را به جلو حرکت داد.
“ربات ما می‌تواند این حرکت کششی را با استفاده از یک ساختار منحصر به فرد انجام دهد. این دستگاه را کاربردی‌تر می‌کند زیرا می‌تواند به طور جهان‌شمول در انواع سیستم‌های رباتیک‌ای ادغام شود،” گفت Kim.
ربات‌های نسل بعدی با الهام از بیولوژی
طراحی نهایی به توسعه رباتی کوچک مشابه کرم با طول ۲۶ سانتی‌متر منجر شد که می‌توانست با سرعتی بیش از ۳۲ سانتی‌متر در دقیقه به عقب و جلو حرکت کند.
هنگام کشیده شدن کامل دستگاه، هر دو ربات و بازوی مصنوعی به طور قابل‌توجهی سفت‌تر می‌شوند، خاصیتی که ربات‌های نرم قبلی فاقد آن بودند.
به گفته محققان، این دستگاه‌های نرم به طریقی مشابه عضلات عمل می‌کنند و در هنگام عملیات سفت‌تر می‌شوند. وقتی که درب یک شیشه را باز می‌کنید، به عنوان مثال، عضلات شما سفت و محکم می‌گردند تا نیرو را منتقل کنند، که این امکان را می‌دهد که بدن شما بتواند کار را انجام دهد.
این ویژگی در رباتیک نرم مورد توجه قرار نگرفته است، زیرا بسیاری از دستگاه‌های نرم تمایل به نرم‌تر شدن هنگام استفاده دارند. در مقابل، این دستگاه‌های انعطاف‌پذیر به مرور زمان سفت‌تر می‌شوند.
این دستگاه جدید نمایانگر یک پیشرفت دیگر به سوی ربات‌های با الهام از بیولوژی است. “ربات‌هایی که می‌توانند مانند موجودات زنده حرکت کنند، امکان فکر کردن به ربات‌هایی که وظایف غیرممکنی برای ربات‌های معمولی انجام دهند را فراهم می‌کنند،” گفت Ryan Truby، استاد علوم و مهندسی مواد و مهندسی مکانیک در دانشگاه و مسئول تحقیق، در بیانیه‌ای.
