Weiche Robotik

Die weiche Robotik (auf Englisch  : weiche Robotik ) ist eine Robotik. Dieses Gebiet befasst sich mit "weichen Robotern", einschließlich bestimmter Arten von Drohnen , und besteht aus flexiblen, elastischen oder verformbaren Materialien oder Strukturen wie Silikon , Kunststoff , Gummi und anderen Polymeren , Geweben usw. oder verformbaren mechanischen Teilen, die in der Robotik verwendet werden. Zum Beispiel Federn, Gummibänder oder Stoß- oder Schwingungsdämpfer. Dieser Bereich der Robotik scheint von Anfang an der erzeugen XXI ten  Jahrhunderts ein wachsendes Interesse und konnte den Preis einiger Roboter und verbessern Antworten auf klassische Robotik auf Fragen wie „Selbstheilungs“ die dazu beitragen , Elastizität oder die Selbstreplikation .

Die von den Prospektivisten vorgesehenen technischen Anwendungen von möglicherweise miniaturisierten weichen Robotern sind die Erforschung bestimmter weicher Umgebungen (z. B. des Inneren eines Organismus), die überlastet oder ohne Struktur sind, einschließlich in den medizinischen und veterinärmedizinischen Wissenschaften (für eine weniger invasive Operation) insbesondere) die Chemie biologischer Materialien und in der Nähe von Menschen in Freizeit und Dienstleistungen sowie in Landwirtschaft und Viehzucht, wo sie "weich" sind, wäre wünschenswert.

Geschichte

Von Uhren , von Automaten und mechanischem Spielzeug seit mehreren Jahrzehnten mit verschiedenen Formen von Federn und manchmal Leder, Stoff, der flexible Verbindungen bildet, oder elastischer verdrillter oder Druckluft in einem Kolben als Energiespeicher. Die Polymere, die für die Herstellung wirklich starker und langlebiger Roboter benötigt werden, sind jedoch erst seit einigen Jahrzehnten erhältlich.

Industrieroboter sind seit etwa einem halben Jahrhundert starr und eher an schnelle und sich wiederholende Aufgaben angepasst. Bei ihrer Konstruktion wurden manchmal mehr oder weniger flexible oder weiche Materialien verwendet, die jedoch oft nur von untergeordneter Bedeutung waren. Sie waren für mobile Kabel, Flüssigkeitsleitungen, Verbindungsmäntel, Saugnapfsysteme (zum Beispiel zum Greifen zerbrechlicher Gegenstände) oder Stoßdämpfung usw. reserviert. Die Science-Fiction in Comics , Romanen und Filmen hat Roboter populär gemacht, die oft metallische Rüstungen haben (oder manchmal sehr humanoide , auch mit einer synthetischen Haut ).

Von 2009 bis 2012 ermöglichten das Erscheinen von technischen Silikonen, verschiedenen anderen formbaren Polymeren und Formgedächtnismaterialien die Erforschung neuer Wege. Die Verwendung elektroaktiver Polymere und die Aussicht auf die Schaffung künstlicher Muskelsysteme (einschließlich elektroaktiver Hydrogel-basierter Systeme ) in Verbindung mit der regelmäßigen Verbesserung der Leistung von 3D-Druckern könnten insbesondere im Zusammenhang mit der Entwicklung von Biomimetika die Entwicklung fördern der weichen Robotik, die neue Fähigkeiten wie Komprimieren, Dehnen, Verdrehen, Anschwellen, Morphing usw. ermöglicht. auf eine Weise, die mit starren Elementen der klassischen Robotik unmöglich wäre.

Im Jahr 2013 präsentieren Rolf Pfeifer und seine Kollegen an der Universität Zürich auf einer internationalen Konferenz über künstliche Intelligenz und in einem Artikel, der ihre Sichtweise zusammenfasst, weiche und biomimetische Roboter als die nächste Generation von "intelligenten Maschinen" .

Jüngste Entdeckungen und Demonstrationen haben sich auch (und zum Beispiel) auf Folgendes konzentriert:

• "gasförmige Robotik" (die sich auf Roboter konzentriert, die leichter als Luft sind)
• der Vorteil flexibler und greifbarer Gliedmaßen wie des Elefantenrüssels oder der Tentakeln , die möglicherweise miniaturisiert sind; in diesem Fall Muskelhydrostat oft fast ganz aus gemacht Muskel und Bindegewebe Geweben Form verändern kann , indem unter Druck , wenn Osmose , wie kann einige Pflanze oder Pilz- Organe .
• ein hochaufziehbarer Faden mit automatischem Aufzug (durch Nachahmung des Prinzips der Tropfen, die die Fäden mit Spinnweben überziehen)
• Die Verwendung einfacher Materialien wie Sandkörner kann über das Prinzip des "  Blockierens des Übergangs  " ( Blockieren auf Englisch) "geformt" werden , um das Äquivalent eines Robotergreifers und einer weichen ersten Hülle zu erhalten, die Sie dann nach Belieben aushärten können
• Formgedächtnismaterialien
• ionische Polymermetallverbundstoffe
• Dielektrische Elastomere (oder DEs für dielektrische Elastomere.
• Die Verwendung des 3D-Drucks zur Herstellung eines Weichkörperroboters ohne Kabel oder Batterie, bei dem ein kleines Reservoir an Wasserstoffperoxid als Gasquelle dient (das aktiviert werden kann, indem das Peroxid mit einem Katalysator (Platin) in Kontakt gebracht wird, der a aufblasen kann Netzwerk von 3D-gedruckten Pneumatikkammern (zB Octobot 2016 vorgestellt).

Die Prognostiker erwarten Roboter, die sich selbst reparieren, wachsen, recyceln oder biologisch abbauen können, und können ihre Morphologie für verschiedene Aufgaben und / oder Umgebungen konfigurieren.
Die Mikroroboter weich (möglicherweise mikroskopisch) werden auch von einigen erwartet (wie die logische Konsequenz des Kreuzens der weichen Robotik und der Miniaturisierung), aber andere wie (Jay) Kim fragen sich, warum; Gibt es überzeugende oder motivierende Gründe, sie zu erfinden?

Wissenschaftliche Herausforderungen

Laut der IEEE.org-Gruppe sind diese Herausforderungen interdisziplinär und einige beziehen sich immer noch auf Voraussicht  . Sie betreffen insbesondere:

• Die Beiträge der Biomimetik Ein großer Teil der Lebewesen besteht aus weichen Wesen, und innere Organe sind es fast immer auch.
• Methoden und Werkzeuge ( Software ) zur Modellierung und Simulation von "  weichen Roboterorganen  " (möglicherweise komplex und "Monoblock" 3D gedruckt ); Viele Roboter sind wie wirbellose Tiere geformt, aber weiche Robotik kann auch dazu beitragen, komplexe humanoide Roboter zu erstellen .
• Studien zu unkonventionellen flexiblen Materialien (noch in der Explorationsphase);
• die hierarchische Bestandsaufnahme flexibler Materialien, die für alle oder einen Teil der Roboteranwendungen (klassisch und zukünftig) verfügbar und nützlich oder wünschenswert sind;
• die besten Werkzeuge und Methoden zur Herstellung und / oder Montage dieses Robotertyps;
• die Integration der Sensoren, die sich zu „flexiblen und dehnbaren“ Sensoren (einschließlich einer möglichen Photovoltaikhaut ) entwickeln sollten, in eine mehr oder weniger elastische und verformbare Struktur;
• eine Betätigung, die überarbeitet wurde, um an den weichen Roboter angepasst zu werden, möglicherweise „modular“ und / oder die Systeme der „passiven Anpassungen“ (Energieeinsparung) verbessernd ;
• interne Selbstorganisation und verteilte Kontrollkapazitäten
• komplett überarbeitete Kontrollsysteme ( Cobotics );
• das Prototyping , Testen (insbesondere des Alterns);
• Stärkung und besserer Austausch von technologischem Wissen und Know-how in der flexiblen Robotik;
• die Möglichkeiten der „Selbstreparatur“ im Zusammenhang mit Fragen der Belastbarkeit  ;
• die Selbstreplikation  ;
• Anwendungen für eine "  weiche Robotik  ".

Roboterspezifitäten

Ein flexibler Roboter interagiert unterschiedlich mit seiner Umgebung, da er elastische Verformungen erzeugen oder erfahren kann, die mehr oder weniger durch seine Morphologie, seine Größe, den Elastizitätsgrad und die Kohärenz seiner Struktur eingeschränkt sind.

Es ist oft - aber nicht unbedingt - biomimetisch (oder bioinspiriert ) und immer durch die Verwendung spezifischer Materialien gekennzeichnet.

Seine Aktuatoren sind teilweise unterschiedlich oder angepasst.

Sie haben Nachteile und Vorteile gegenüber starren Robotern.

Nachteile

• Das Gebiet der weichen Robotik ist noch sehr aufstrebend. Es hat sich nur mit wenigen Prototypen bewährt. Es gibt nur wenige oder keine Ersatzteile oder Softroboter auf dem Markt, und die F & E-Finanzierung ist nach wie vor bevorzugt auf die klassische Robotik ausgerichtet.
• Das Verhalten weicher Materialien (und flexibler Strukturen, insbesondere wenn sie komplex sind) ist bislang viel schwieriger zu modellieren als das von harten Materialien und folglich schwieriger zu steuern und zu betreiben  .
• Einige der weichen Materialien, aus denen sie bestehen, sind anfällig für bestimmte äußere Angriffe (obwohl in bestimmten Fällen die „weiche“ Natur es auch ermöglicht, die Energie von Stößen oder Stanzeffekten zu absorbieren und den Roboter zu schützen.

Leistungen

• Verformbare Strukturen ermöglichen es einem weichen Roboter, sich besser an bestimmte Umstände oder dynamische Aufgaben anzupassen, einschließlich in einer unsicheren Umgebung (z. B. Bewegung in einer Flüssigkeit mit starken Turbulenzen, Fortbewegung in unebenem und unbekanntem Gelände, Greifwirkung eines geformten Objekts, unbekanntes Gewicht und Zerbrechlichkeit). .. oder während des Kontakts mit einem Lebewesen oder einem Organ (im Fall eines chirurgischen oder industriellen Roboters);
• Schnelle Fortschritte bei der Elastomerinjektion und dann beim 3D-Druck bestimmter Elastomere ermöglichen es, Gemische elastischer Polymere unterschiedlicher Elastizität zu formen (und heute zu drucken), was neue Möglichkeiten eröffnet. In naher Zukunft scheint es sogar möglich zu sein, synthetische Polymere mit Biopolymeren oder mit lebenden Zellen zu kombinieren.
• Einige weiche und elastische Materialien sind von energetischem Interesse: Beispielsweise können Phasenwechselmaterialien, verformbare Strukturen ( z. B. Federn ) oder Formgedächtnis oder der Einbau eines komprimierten Gases theoretisch auch eine bestimmte Energiemenge speichern und dann abgeben. Diese Energie kann für die Bewegungen und Formänderungen des Roboters verwendet und / oder für andere andere Aufgaben mobilisiert werden;
• Bestimmte Elastomere aus thermoreversiblen kovalenten Netzwerken (als "Diels-Alder-Polymere" oder "Diels-Alder-Polymere" für englischsprachige Personen bezeichnet) können (nachdem sie leicht erhitzt und dann abgekühlt wurden) wieder zusammengesetzt werden, nachdem sie zerrissen, durchbohrt oder leicht beschädigt wurden . Umschläge oder Roboterorgane, die zur Selbstheilung fähig sind, werden daher möglich; 2017 von Science Robotics veröffentlichte Tests zeigen, dass Materialien nach Schnitten, Schlägen repariert werden können und trotz einiger Narben auch nach zwei Reparatur- / Heilungszyklen eine fast vollständige Leistung erzielen. Dies wurde erfolgreich für drei flexible pneumatische Roboteraktuatoren (eine flexible Klemme, eine Hand und künstliche Muskeln) getestet, die sich nach Läsionen selbst heilen, indem sie das betreffende Polymer durchstechen, reißen oder blasen.
• Die Materialien für die weiche Robotik können viel billiger sein als die harten Teile "klassischer" Roboter.

Wissenschaftliche Gemeinschaft

Einige Elemente "klassischer" Roboter (Industrie, Militär usw.) bestehen seit langem aus weichen und manchmal elastischen Materialien, aber die Idee fast ausschließlich "weicher" Roboter ist neu. Es verbindet neue Arten der Modellierung mit klassischer Robotik und nur wenige Disziplinen, einschließlich der Polymerchemie. Die Grundsätze für Design und Konstruktion sind weitgehend zu überprüfen.

In den frühen 2010er Jahren kam eine internationale wissenschaftliche und technische Gemeinschaft zusammen, um die Wege zu erkunden, die die weiche Robotik eröffnet, mit:

• seit Oktober 2012 ein IEEE RAS- Fachausschuss für weiche Robotik ( IEEE RAS Technischer Ausschuss für weiche Robotik ), der sich die Aufgabe gestellt hat, die Forschungsgemeinschaft zu koordinieren;
• Seit 2014 erscheint alle drei Monate eine Zeitschrift für deformierbare Robotik.
• In Frankreich hat es ein INRIA- Forschungsteam zu seiner Spezialität gemacht.

Innovation

Eine der Herausforderungen, einschließlich der Reparatur flexibler Roboter, besteht darin, flexiblen, elastischen und wasserdichten Klebstoff zu haben. Im Jahr 2017 gelang es den Universitätsphysikern, im Labor einen hochelastischen Cyanacrylatkleber herzustellen, der harte und / oder weiche Substanzen (einschließlich elektronischer Komponenten) an Hydrogelen (Materialien vom Typ „Gel“, die in bestimmten medizinischen Geräten und Robotern verwendet werden. Flexibel) haften kann . Diese Entdeckung könnte die Schaffung wirklich elastischer und dehnbarer Batterien und elektrischer Schaltkreise ermöglichen . Cyanacrylat ist mit einer organischen Komponente verbunden (die, ohne ein Lösungsmittel zu sein, schnell in die geschmolzenen Teile diffundiert, um zu verhindern, dass sie spröde werden). Beim Drücken härtet der Kleber in wenigen Sekunden aus. Die Elastizität kann 2000% erreichen.

2017 gelang es den Forschern, den ersten weichen Roboter zu entwickeln, der sich ohne Motor oder mechanisches System bewegen kann. Diese Innovation eröffnet durch die Verwendung von Speicherlegierungen viele Möglichkeiten sowohl in der Luft- und Raumfahrt als auch in der nanoskopischen Forschung.

Anmerkungen und Referenzen

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Siehe auch

Zum Thema passende Artikel

• Robotik
• Cobotics
• Elektroaktives Polymer
• Robotermodellierung
• Peristaltik
• Künstlicher Muskel

Externer Link

• Website- Softrobotik

Internationale Zeitungen

• Soft Robotics (SoRo) ( http://www.liebertpub.com/soro )
• Soft Robotics ( Abschnitt "Grenzen in Robotik und KI")

Literaturverzeichnis

• Iida, Fumiya & Laschi, Cecilia (2011) Weiche Robotik: Herausforderungen und Perspektiven . Procedia Computer Science, 7 (0): 99 - 102, Tagungsband der 2. European Future Technologies Conference and Exhibition 2011 (FET 11).
• Pfeifer, Rolf, Lungarella max & FIida, Fumiya (2012) Die Herausforderungen für die bioinspirierte „weiche“ Robotik . Verbreitet. ACM, 55 (11): 76–87, November 2012
• Pfeifer R, Marques HG und Iida F (2013) Weiche Robotik: Die nächste Generation intelligenter Maschinen In Proceedings der dreiundzwanzigsten internationalen gemeinsamen Konferenz über künstliche Intelligenz (S. 5-11). AAAI Press, veröffentlicht im August 2013, konsultierte den 05.06.2016.
• Trivedi D, Rahn CD, Kier WM & Walker ID (2008), Weiche Robotik: Biologische Inspiration, Stand der Technik und zukünftige Forschung , Angewandte Bionik und Biomechanik, vol. 5, nein. 3, pp. 99–117 ( Zusammenfassung )