اخبار

دانش رباتیک‌ نرم و تعریف آن در تکنولوژی امروز

 رباتیک نرم شاخه‌ای خاص از علم رباتیک است که با ساخت ربات از مواد بسیار سازگار، مشابه آن‌هایی که در ارگانیسم‌های زنده یافت می‌شوند، سروکار دارد. ربات‌های نرم به شدت از روشی که موجودات زنده با آن حرکت می‌کنند و با محیط خود سازگار می‌شوند، طراحی می‌شوند. برخلاف روبات‌ها که از مواد سخت ساخته شده‌اند، ربات‌های نرم قابلیت انعطاف و سازگاری بیشتری را برای انجام وظایف و همچنین بهبود ایمنی در هنگام کار در اطراف انسان‌ها فراهم می‌کنند. این ویژگی‌ها امکان استفاده بالقوه در زمینه‌های پزشکی و تولید را فراهم می کند. 

انواع و طراحی‌ها

بخش عمده در زمینه ربات‌های نرم مبتنی بر طراحی و ساخت ربات‌هایی است که به طور کامل از مواد سازگار ساخته شده‌اند و نتیجه نهایی شبیه بی مهرگانی مثل کرم و هشت پا می‌باشد. مدل سازی حرکت این روبات‌ها مشکل است، چرا که مکانیک پیوسته به آن‌ها اعمال می‌شود و گاهی به عنوان ربات‌های پیوسته تلقی می‌شوند. رباتیک نرم، شاخه‌ای از روباتیک است که با ساخت ربات از مواد بسیار سازگار، مشابه آن‌هایی که در ارگانیسم‌های زنده یافت می‌شوند، سروکار دارد. به طور مشابه، ربات‌های نرم نیز به شدت با روشی که این موجودات زنده با آن حرکت می‌کنند و با محیط خود سازگار می‌شوند، طراحی می‌شوند. این امر به دانشمندان اجازه می‌دهد تا از ربات‌های نرم برای درک پدیده‌های زیستی- از طریق آزمایشاتی که نمی‌توانند به راحتی بر روی همتایان بیولوژیکی اصلی انجام شوند- استفاده کنند. برخلاف روبات‌ها که از مواد سخت ساخته شده‌اند، ربات‌های نرم قابلیت انعطاف و سازگاری بیشتری را برای انجام وظایف و همچنین بهبود ایمنی در هنگام کار در اطراف انسان‌ها فراهم می‌کنند. این ویژگی‌ها امکان استفاده بالقوه از آن در زمینه‌های پزشکی و تولید را می‌دهد. با این حال، ربات‌های سفت و سختی وجود دارند که قادر به تغییر شکل پیوسته هستند به خصوص بازوی رباتیک مار.هم چنین ممکن است از ساختار فنی ربات‌های نرم به عنوان یک تکه در یک ربات بزرگ‌تر و به طور بالقوه سفت و سخت استفاده شود. اندام های انتهایی ربات‌ نرم، برای گرفتن و اداره کردن اشیا طراحی شدند و این مزیت را دارند تا یک نیروی کم را تولید کنند که برای نگه داشتن اشیا ظریف بدون شکستن آن‌ها خوب است.علاوه بر این، ربات‌های ترکیبی نرم و سخت ممکن است با استفاده از یک چارچوب سفت و سخت داخلی با فضای بیرون نرم برای ایمنی ساخته شوند. ظاهر نرم ممکن است چند منظوره باشد، چون می‌تواند هم به عنوان محرک برای ربات عمل کند، شبیه به ماهیچه در مهره‌داران، و همچنین در صورت برخورد با یک فرد، به عنوان یک سپر استفاده شود.ساختتکنیک های تولید متعارف، از قبیل تکنیک های کمکی مانند حفاری و آسیاب، در مورد ساخت روبات های نرم، مفید نیستند، زیرا این روبات ها دارای اشکال پیچیده ای با اجسام ناپایدار هستند. بنابراین، تکنیک های تولید پیشرفته تر توسعه یافته اند. اینها شامل تولید رسوبدهی شکل (SDM)، ساختار میکروارگانیک کامپوزیتی هوشمند (SCM) و چاپ چندبعدی 3D است.SDM یک نمونه از نمونه اولیه سریع است که در نتیجه رسوب و ماشینکاری به صورت دوره ای رخ می دهد. اساسا یک ماده یک ماده را ذخیره می کند، آن را می سازد، یک ساختار مورد نظر را جاسازی می کند، یک ساختار را پشتیبانی می کند، سپس محصول را به شکل نهایی که شامل مواد سپرده شده و بخش جاسازی شده است، تولید می کند. سخت افزار جاسازی شده شامل مدارها، سنسورها، و محرک ها است و دانشمندان با موفقیت از کنترل های داخل مواد پلیمری برای ساخت روبات های نرم مانند Stickybot و iSprawl استفاده کرده اند.SCM یک فرایند است که از آن می توان یک ترکیب پلیمری تقویت شده با فیبر کربن (CFRP) با رشته های انعطاف پذیر پلیمری را با هم ترکیب کرد. پلیمر انعطاف پذیر به عنوان مفاصل برای اسکلت عمل می کند. با استفاده از این فرایند، یک ساختار یکپارچه از CFRP و رشته های پلیمری از طریق استفاده از ماشینکاری لیزر و سپس لایه سازی ایجاد می شود. این فرایند SCM در تولید روبات های Mesoscale به کار می رود چون اتصالات پلیمر به عنوان جایگزین با اصطکاک کم برای پین اتصالات استفاده می شود.در حال حاضر چاپ ۳ بعدی را می توان برای چاپ طیف وسیعی از جوهرهای سیلیکون با استفاده از Robocasting که به عنوان خط مستقیم نوشته شده (DIW)نیز شناخته می‌شود، به کار برد. این مسیر تولید اجازه تولید یکپارچه عملگرهای الاستومر مایع با ویژگی‌های مکانیکی تعریف‌شده محلی را می‌دهد. این امر به یک تولید دیجیتالی از عملگرهای سیلیکون که ساختار و حرکات قابل‌برنامه‌ریزی را به نمایش می‌گذارند، کمک می‌کند. طیف گسترده‌ای از ربات های نرم کاملا کاربردی با استفاده از این روش از جمله خم کردن، پیچش، چنگ زدن و حرکت انقباضی، چاپ شده‌اند. این تکنیک از برخی از اشکالات مسیرهای تولید سنتی مانند تورق در میان بخش‌های چسبان جلوگیری می‌کند.یکی دیگر از روش های تولید افزودنی، تولید موادی با شکل گذرا و ناپایدار می باشد که دارای حساسیت به نور،  از لحاظ حرارتی فعال و واکنش پذیر با آب هستند. اساسا، این پلیمرها می‌توانند به طور خودکار شکل را بر اثر تعامل با آب، نور و یا گرما تغییر دهند. یک نمونه از مواد ناپایدار از طریق استفاده از نفوذ نور واکنش پذیر جوهر افشان بر روی یک هدف پلی استایرن ایجاد شد. علاوه بر این، پلیمرهای حافظه شکل به طور سریع نمونه‌برداری شده‌اند که شامل دو جز مختلف است: یک اسکلت و یک ماده مفصلی. در هنگام چاپ، ماده تا دمایی بالاتر از دمای گذار شیشه‌ای ماده مفصلی گرم می‌شود. این امر اجازه تغییر شکل ماده مفصلی را می‌دهد، در حالی که به مواد اسکلتی نفوذ نمی‌کند. علاوه بر این، این پلیمر را می توان به طور مداوم از طریق حرارت دادن اصلاح کرد.

روش‌های کنترل و مواد

همه ربات‌های نرم نیازمند یک سیستم نیرو محرکه برای ایجاد نیروهای واکنش گرا دارند تا اجازه حرکت و تعامل با محیط خود را بدهند. با توجه به ماهیت سازگار این روبات‌ها، سیستم‌های تحریک نرم باید قادر به حرکت بدون استفاده از مواد سخت باشند که به عنوان استخوان‌ها در موجودات زنده، یا قاب فلزی که در ربات‌های سخت رایج است، عمل کنند. با این وجود، چندین راه‌حل کنترل برای مساله تحریک نرم وجود دارد و استفاده آن، یافته شده است که هر کدام دارای مزایا و معایبی هستند. چند مثال از روش‌های کنترلی و مواد مناسب در زیر فهرست شده‌اند.

میدان الکتریکی

یک مثال استفاده از نیروی الکترواستاتیک است که می توان در آن اعمال شود: * دی‌الکتریک مواد دی‌الکتریک (DEAs)که از میدان الکتریکی ولتاژ بالا استفاده می‌کنند تا شکل خود را تغییر دهند (مثال DEA). این محرک‌ها می‌توانند نیروهای زیادی تولید کنند، دارای قدرت ویژه بالا (W kg-1)، تولید فشارهای بزرگ (> 1000٪)، دارای تراکم انرژی بالا (>3 MJ m−3) و رسیدن به نرخ سریع راه اندازی (10 میلی ثانیه – 1 ثانیه) حساسیت خود را نشان دهند با این حال، نیاز به ولتاژ بالا به سرعت تبدیل به عامل محدود کننده در کاربردهای عملی بالقوه می شود.علاوه بر این، این سیستم‌ها اغلب جریان‌های نشت را نشان می‌دهند، تمایل دارند که خرابی‌های الکتریکی داشته باشند (ضعف دی الکتریک از آمار Weibull پیروی می‌کند بنابراین احتمال افزایش با ناحیه الکترود افزایش‌یافته است)و نیازمند پیش فشار برای بیش‌ترین تغییر شکل است. برخی از تحقیقات جدید نشان می‌دهند که راه‌هایی برای غلبه بر برخی از این معایب وجود دارد، همانطور که در عملگر Peano – HASEL نشان‌داده شده‌است. این روش، ولتاژ اعمالی مورد نیاز را کاهش می‌دهد و همچنین امکان ترمیم خود را در حین شکست الکتریکی فراهم می‌آورد.

حرارتی

پلیمرهای حافظه شکل (smps)موادی هوشمند و قابل پیکر بندی مجدد هستند که به عنوان نمونه عالی از راه انداز حرارتی که می‌تواند برای تحریک بکار رود، عمل کنند. این مواد شکل اصلی خود را به یاد خواهند داشت و بر اثر افزایش دما به آن باز خواهند گشت.  به عنوان مثال پلیمرهای crosslinked می توانند در دمای بالاتر از انتقال شیشه ای (Tg) و یا انتقال ذوب (Tm) و پس از آن سرد شود. وقتی دما دوباره افزایش می‌یابد، فشار آزاد خواهد شد و شکل مواد دوباره به حالت اصلی تغییر خواهد کرد. این البته نشان می‌دهد که تنها یک جنبش برگشت‌ناپذیر وجود دارد، اما مواد مورد اشاره تا 5 شکل حالت موقت دارند. یکی از ساده‌ترین و شناخته‌شده‌ترین نمونه‌های پلی مر، یک اسباب‌بازی به نام Shrinky Dinks است که از ورقه پلی استایرن کشیده‌شده از پیش ساخته(PS)، درست شده‌است که می تواند برای برش شکل هایی که در هنگام گرم شدن به طور قابل توجهی کوچک می شوند، استفاده شود. راه انداز های تولید شده با استفاده از این مواد می‌تواند فشار را تا ۱۰۰۰ % برسانند و دامنه وسیعی از چگالی انرژی بین 50 kJ m-3 و 2 MJ m-3 را نشان دهند. جنبه‌های منفی مشخص شده SMPs عبارتند از واکنش کند آن‌ها (بیشتر از 10 ثانیه) و نیروی کم تولید شده. نمونه هایی از SMPs شامل پلی اورتان (PU)، پلی اتیلن ترفتالات (PET)، پلی اتیلن اکسید (PEO) و غیره است.آلیاژهای حافظه‌دار پشت سیستم کنترل دیگری برای راه اندازی روباتیک نرم هستند. اگر چه مواد ساخته‌شدهاز فلز، به طور سنتی سفت و سخت هستند، فنرها از سیم‌های بسیار نازک ساخته می‌شوند و همانند دیگر مواد نرم سازگار هستند. این فنرها نسبت به جرم بسیار بالایی دارند، اما با استفاده از گرما، که میزان انرژی خیلی هم کافی نیست، کشیده می شوند.

تفاوت فشار

* عضلات مصنوعی، روش کنترل دیگری که در ربات‌های نرم استفاده می‌شود، به تغییر فشار درون یک لوله انعطاف‌پذیر بستگی دارد. این روش به عنوان یک ماهیچه عمل می‌کند، منقبض می‌شود و گسترش می‌یابد، در نتیجه نیرو به آنچه که به آن متصل است وارد می شود. با استفاده از شیرها، ربات ممکن است شکل خاصی را با استفاده از این عضلات بدون نیاز به انرژی اضافی حفظ کند. اما این روش به طور کلی به یک منبع خارجی از هوای فشرده برای عملکرد نیاز دارد.

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *