در یک پیشرفت قابل توجه در زمینه رباتیک، محققان ETH زوریخ و موسسه ماکس پلانک برای سیستم های هوشمند از یک پای رباتیک جدید رونمایی کردند که بیشتر از همیشه عضلات بیولوژیکی را تقلید می کند. این نوآوری نشان دهنده انحراف قابل توجهی از رباتیک سنتی است که برای نزدیک به هفت دهه بر سیستم های موتور محرکه تکیه کرده است.
این تلاش مشترک به رهبری رابرت کاتزشمان و کریستوف کپلینگر منجر به ایجاد یک اندام روباتیک شده است که قابلیت های قابل توجهی در بهره وری انرژی، سازگاری و پاسخگویی را به نمایش می گذارد. این پیشرفت به طور بالقوه می تواند چشم انداز رباتیک را تغییر شکل دهد، به ویژه در زمینه هایی که به حرکات مکانیکی واقعی و همه کاره نیاز دارند.
اهمیت این توسعه فراتر از تازگی فناوری صرف است. این نشان دهنده گامی مهم به سمت ایجاد ربات هایی است که می توانند به طور مؤثرتری با محیط های پیچیده و دنیای واقعی تعامل داشته باشند. با تقلید دقیق تر بیومکانیک موجودات زنده، این پای با نیروی ماهیچه ای امکانات جدیدی را برای کاربردهای مختلف از عملیات جستجو و نجات تا تعاملات ظریف تر در همکاری انسان و ربات باز می کند.
نوآوری: محرک های الکترو هیدرولیک
در قلب این پایه رباتیک انقلابی، محرک‌های الکتروهیدرولیک قرار دارند که توسط تیم تحقیقاتی HASEL نامیده می‌شوند. این اجزای ابتکاری مانند ماهیچه های مصنوعی عمل می کنند و قابلیت های منحصر به فرد خود را برای پا فراهم می کنند.
محرک‌های HASEL از کیسه‌های پلاستیکی پر از روغن تشکیل شده‌اند که یادآور کیسه‌هایی هستند که برای ساختن تکه‌های یخ استفاده می‌شوند. هر کیسه تا حدی در دو طرف با یک ماده رسانا پوشیده شده است که به عنوان یک الکترود عمل می کند. هنگامی که ولتاژ به این الکترودها اعمال می شود، به دلیل الکتریسیته ساکن یکدیگر را جذب می کنند، شبیه به نحوه چسبیدن بالون به مو پس از مالش دادن به آن. با افزایش ولتاژ، الکترودها نزدیک‌تر می‌شوند و روغن را درون کیسه جابجا می‌کنند و باعث انقباض کلی آن می‌شوند.
این مکانیسم امکان حرکات زوج مانند عضله را فراهم می کند: زمانی که یک محرک منقبض می شود، همتای آن گسترش می یابد و از عملکرد هماهنگ عضلات بازکننده و خم کننده در سیستم های بیولوژیکی تقلید می کند. محققان این حرکات را از طریق کد کامپیوتری کنترل می‌کنند که با تقویت‌کننده‌های ولتاژ بالا ارتباط برقرار می‌کند و تعیین می‌کند کدام محرک‌ها باید در هر لحظه منقبض یا گسترش یابند.
برخلاف سیستم‌های روباتیک مرسوم که بر موتورها تکیه می‌کنند – یک فناوری 200 ساله – این رویکرد جدید نشان‌دهنده یک تغییر الگو در تحریک رباتیک است. ربات های موتور محور سنتی اغلب با مسائل مربوط به بهره وری انرژی، سازگاری و نیاز به سیستم های حسگر پیچیده دست و پنجه نرم می کنند. در مقابل، پایه مجهز به HASEL این چالش‌ها را به روش‌های جدیدی برطرف می‌کند.
مزایا: بهره وری انرژی، سازگاری، سنسورهای ساده شده
پایه الکترو هیدرولیک راندمان انرژی بالاتری را در مقایسه با همتایان موتور محور خود نشان می دهد. به عنوان مثال، هنگام حفظ وضعیت خمیده، پای HASEL به طور قابل توجهی انرژی کمتری مصرف می کند. این کارایی در تصویربرداری حرارتی مشهود است، که کمترین تولید گرما را در پایه الکتروهیدرولیک در مقایسه با گرمای قابل توجه تولید شده توسط سیستم‌های موتور محرک نشان می‌دهد.
سازگاری یکی دیگر از مزایای کلیدی این طراحی جدید است. سیستم اسکلتی عضلانی پا خاصیت ارتجاعی ذاتی را فراهم می‌کند و به آن اجازه می‌دهد تا بدون نیاز به برنامه‌ریزی‌های قبلی پیچیده، به‌صورت انعطاف‌پذیر در زمین‌های مختلف تنظیم شود. این تطبیق پذیری طبیعی پاهای بیولوژیکی را تقلید می کند، که می توانند به طور غریزی با سطوح و ضربه های مختلف سازگار شوند.
شاید مهم‌تر از همه، پایی که با نیروی HASEL کار می‌کند، می‌تواند حرکات پیچیده – از جمله پرش‌های بلند و تنظیمات سریع – را بدون تکیه بر سیستم‌های حسگر پیچیده انجام دهد. ویژگی‌های ذاتی محرک‌ها به پا اجازه می‌دهد تا موانع را به طور طبیعی تشخیص دهد و به آن واکنش نشان دهد، طراحی کلی را ساده‌تر کرده و به طور بالقوه نقاط شکست را در برنامه‌های کاربردی در دنیای واقعی کاهش می‌دهد.
برنامه ها و پتانسیل های آینده
پای رباتیک با نیروی عضلانی توانایی هایی را نشان می دهد که مرزهای آنچه در مهندسی بیومیمتیک ممکن است را تغییر می دهد. توانایی آن برای انجام پرش های بلند و اجرای حرکات سریع، پتانسیل سیستم های رباتیک پویا و چابک تر را به نمایش می گذارد. این چابکی، همراه با ظرفیت پا برای شناسایی و واکنش به موانع بدون آرایه‌های حسگر پیچیده، فرصت‌های هیجان‌انگیزی را برای کاربردهای آینده باز می‌کند.
در حوزه رباتیک نرم، این فناوری می‌تواند نحوه تعامل ماشین‌ها با اشیاء ظریف یا حرکت در محیط‌های حساس را بهبود بخشد. به عنوان مثال، کاتزمان پیشنهاد می‌کند که محرک‌های الکتروهیدرولیک می‌توانند به ویژه در توسعه گیره‌های بسیار سفارشی‌شده مفید باشند. چنین گیره‌هایی می‌توانند قدرت و تکنیک چنگ زدن خود را بر اساس این که آیا با یک جسم محکم مانند توپ یا یک چیز شکننده مانند یک تخم‌مرغ یا گوجه‌فرنگی کار می‌کنند، تطبیق دهند.
با نگاهی به آینده، محققان کاربردهای بالقوه ای را در رباتیک نجات در نظر می گیرند. Katzschmann حدس می‌زند که تکرارهای آینده این فناوری می‌تواند به توسعه روبات‌های چهارپا یا انسان‌نما منجر شود که قادر به حرکت در مناطق چالش برانگیز در سناریوهای فاجعه هستند. با این حال، او خاطرنشان می کند که قبل از اینکه چنین برنامه هایی به واقعیت تبدیل شوند، کارهای قابل توجهی باقی مانده است.
چالش ها و تاثیر گسترده تر
با وجود ماهیت پیشگامانه آن، نمونه اولیه فعلی با محدودیت هایی مواجه است. همانطور که Katzschmann توضیح می دهد، “در مقایسه با روبات های راه رفتن با موتورهای الکتریکی، سیستم ما هنوز محدود است. پا در حال حاضر به یک میله متصل است، به صورت دایره ای می پرد و هنوز نمی تواند آزادانه حرکت کند. غلبه بر این محدودیت ها برای ایجاد ربات های کاملاً متحرک و عضلانی، مانع بزرگ بعدی برای تیم تحقیقاتی است.
با این وجود، نمی توان تأثیر گسترده تر این نوآوری در زمینه رباتیک را نادیده گرفت. کپلینگر بر پتانسیل دگرگون کننده مفاهیم سخت افزاری جدید مانند ماهیچه های مصنوعی تأکید می کند: «زمینه رباتیک با کنترل های پیشرفته و یادگیری ماشینی در حال پیشرفت سریع است. در مقابل، پیشرفت بسیار کمتری در مورد سخت افزار رباتیک صورت گرفته است که به همان اندازه مهم است.
این پیشرفت نشان دهنده یک تغییر بالقوه در فلسفه طراحی رباتیک است که از سیستم‌های سفت و سخت موتور محور به سمت محرک‌های عضلانی انعطاف‌پذیرتر حرکت می‌کند. چنین تغییری می‌تواند منجر به ربات‌هایی شود که نه تنها از نظر انرژی کارآمدتر و سازگارتر هستند، بلکه برای تعامل انسان‌ها ایمن‌تر هستند و توانایی بیشتری در تقلید حرکات بیولوژیکی دارند.
خط پایین
پای رباتیک عضلانی که توسط محققان ETH زوریخ و مؤسسه سیستم‌های هوشمند ماکس پلانک ساخته شده است، نقطه عطف مهمی در مهندسی بیومیمتیک است. این نوآوری با استفاده از محرک های الکترو هیدرولیک، نگاهی اجمالی به آینده ای ارائه می دهد که در آن ربات ها بیشتر شبیه موجودات زنده حرکت می کنند تا ماشین ها.
در حالی که چالش‌هایی در توسعه ربات‌های کاملاً متحرک و مستقل با این فناوری وجود دارد، برنامه‌های کاربردی بالقوه آن بسیار گسترده و هیجان‌انگیز هستند. از روبات‌های صنعتی ماهرتر گرفته تا ماشین‌های نجات چابکی که قادر به حرکت در مناطق فاجعه هستند، این پیشرفت می‌تواند درک ما از رباتیک را تغییر دهد. با پیشرفت تحقیقات، ممکن است شاهد مراحل اولیه یک تغییر پارادایم باشیم که مرز بین جنبه مکانیکی و بیولوژیکی را محو می کند و به طور بالقوه نحوه طراحی و تعامل ما با روبات ها را در سال های آینده متحول می کند.
