Moderne samenlevingen vertrouwen op robottechnologie om een ​​enorm scala aan functies uit te voeren die van vitaal belang zijn voor de goede werking van industriële productiesystemen, maar ook naar andere sectoren zoals de bouw, gezondheidszorg en vervoer.

Echter, een belangrijke beperking van de meeste robots is het feit dat ze slechts één repetitieve taak kunnen uitvoeren, zoals een artikel uit een bak halen en op een transportband plaatsen of gaten boren volgens een vooraf ingesteld patroon.

Als erkenning voor deze beperking, onderzoekers in het opkomende gebied van adaptieve robotica richten hun aandacht op hoe robots flexibeler kunnen worden gemaakt - en gebruiken werktuigbouwkundige principes om geavanceerde apparaten te creëren die zichzelf kunnen herconfigureren om een ​​aantal verschillende functies uit te voeren. Bijvoorbeeld, een multifunctionele drone die wordt gebruikt om energie-infrastructuur zoals offshore-olieplatforms of windturbines te inspecteren, kan worden uitgerust met grijptechnologie waarmee hij op constructies kan neerstrijken en nauwkeurigere analyses kan uitvoeren bij harde wind, evenals waterdichtheidscapaciteiten en voortstuwingstechnologie waarmee hij kan funderingsinspecties uitvoeren onder het oceaanoppervlak.

Dus welke werktuigbouwkundige technologieën en technieken worden gebruikt als onderdeel van dit werk? Wat zijn de belangrijkste huidige en potentiële toepassingen van adaptieve robotica? En welke innovaties en trends in het gebruik van werktuigbouwkundige systemen voor adaptieve robottechnologieën kunnen we de komende jaren verwachten?

Herconfiguratie

Een van de meest interessante recente initiatieven op dit gebied is die van de Colorado State University (CSU), waar een team van onderzoekers een aantal kleine, lichtgewicht robots die zichzelf kunnen herconfigureren in reactie op verschillende gebruikersvereisten. Als projectleider Dr. Jianguo Zhao, universitair docent in het Adaptive Robotics Lab bij CSU, verklaart, zijn werk op dit gebied valt in drie hoofdcategorieën uiteen, afhankelijk van de gebruikte bedieningskrachten.

De eerste is herconfiguratie door kunstmatige spieren, waarbij wordt onderzocht hoe een goedkope kunstmatige spier, gemaakt van huishoudelijk naaigaren, kan worden gebruikt om de vorm van een bepaalde robot te veranderen. Dit heeft geresulteerd in de creatie van een link die kan bewegen en vasthouden aan een andere vorm zonder extra energie-input.

De tweede categorie werk onderzoekt hoe materialen met variabele stijfheid kunnen worden gebruikt om de functies van een bepaalde robot opnieuw te configureren, en als onderdeel daarvan:doctoraat student Jiefeng Sun heeft een adaptieve looprobot gebouwd die meerdere beentrajecten kan afleggen.

De derde categorie onderzoekt hoe nieuwe passieve mechanismen kunnen worden gebruikt om vliegende robots op muren te laten neerstrijken, hoogspanningsleidingen of plafonds, waarvan doctoraat student Haijie Zhang heeft een robot ontwikkeld die is uitgerust met een meegaande en passieve grijper.

Om dergelijke adaptieve robots mogelijk te maken, Zhao onthult dat hij een reeks geavanceerde werktuigbouwkundige technologieën heeft toegepast, inclusief mechanisme en machineontwerp, computerondersteund ontwerp, additieve fabricage (3D-printen), kinematica en dynamische modellering, eindige elementenanalyse en mechatronica. Een voorbeeld is een miniatuur lopende robot, die het team heeft gemaakt met behulp van multimateriaal 3D-printen, een technologie die in staat is om zowel zachte als harde materialen in één enkel onderdeel te printen.

"Bij deze robot we hebben het zachte materiaal gebruikt om te dienen als meegevende rotatieverbindingen en het stijve materiaal om als schakels te dienen. In dit geval, we kunnen het lichaam en de vier poten voor de robot als een enkel onderdeel printen zonder montage, " hij zegt.

"Verder, om het gedrag van een dergelijke robot te analyseren, we hebben de kinematische en dynamische modellen opgesteld om de beentrajecten te voorspellen en deze vergeleken met de experimentele resultaten. Eindelijk, we gebruikten een ingebed systeem met microcontrollers en draadloze communicatie om de robot te besturen."

Volgens Zhao is kleine robots van dit type hebben veel voordelen ten opzichte van grotere en zwaardere robots. Bijvoorbeeld, ze hebben toegang tot en navigeren door nauwe of krappe omgevingen die grote robots niet kunnen betreden. Volgens hem, ze kunnen ook tegen veel lagere kosten worden vervaardigd met behulp van additieve fabricage.

Ondanks deze duidelijke voordelen, Zhao geeft toe dat kleinere robots het in veel omgevingen vaak een grotere uitdaging vinden om zich voort te bewegen. Dit behandelen, hij zegt dat het beter is om ze uit te rusten met "meervoudige voortbewegingsmogelijkheden", zoals lopen, kruipen, springen of vliegen, met behulp van een gespecialiseerd mechanisme voor elke functie.

"Echter, het is een uitdaging om verschillende gespecialiseerde mechanismen met afzonderlijke bedieningen in een klein formaat te verpakken - en de detectie, berekening en controle zijn ook veeleisender. In dit geval, in plaats van een gespecialiseerd mechanisme voor elke functie, een nieuwe oplossing is om adaptieve robots mogelijk te maken die zichzelf kunnen herconfigureren als reactie op een behoefte, " hij zegt.

Klikkevers

Ergens anders, een team van onderzoekers van de Universiteit van Illinois doet baanbrekend onderzoek naar de beweging van klikkevers in een poging om meer wendbare en adaptieve robots te inspireren. Als onderdeel van dit werk, het team heeft synchrotron-röntgenstralen gebruikt bij de geavanceerde protonenbron in het Argonne National Laboratory om het interne vergrendelingsmechanisme of snelle ontgrendelingsmechanisme van het insect te onderzoeken en liet zien hoe een combinatie van scharniermorfologie en mechanica een uniek klikmechanisme mogelijk maakt.

Als Aimy Wissa, assistent-professor in de afdeling mechanische wetenschap en techniek en hoofd van het Bio-inspired Adaptive Morphology Lab aan de University of Illinois Urbana-Champaign, verklaart, het onderzoek bouwt voort op onderzoek naar het zelfoprichtende springmechanisme van de klikkevers. Als onderdeel van deze oefening, het team heeft prototypes gebouwd van een scharnierachtig veermechanisme dat in een robot wordt ingebouwd.

In plaats van op hun benen te vertrouwen, klikkevers springen door hun hele lichaam te buigen in een omgekeerde positie. Tijdens deze fase, genaamd 'lichaamsflexie, " het insect slaat energie op voordat het het vrijgeeft in een bijna verticale sprong - een actie die de kever ook helpt zichzelf recht te zetten als hij in een omgekeerde positie valt. Door de fysica van de sprong van het wezen te onderzoeken, het Illinois-team was in staat om een ​​autonome zelfrichtende robot te ontwikkelen, die zich met name richtte op de schaalwetten tussen de keversoort en de invloed van de massaverhouding van het insect op zijn sprong.

"Al snel realiseerden we ons dat klikkevers tot een klasse organismen behoren die 'power-ampled' bewegingsstrategieën gebruiken - ze gebruiken elastische opslagelementen om energie op te slaan en veel sneller af te geven dan spieren kunnen. Ik raakte geïnteresseerd in de mogelijkheid om dergelijke activeringsstrategieën om kleine robots te ontwerpen die wendbaarder zijn, kan herstellen van vallen, en zijn in staat tot snelle manoeuvres, ' zegt Wissa.

Door kevers te filmen met hogesnelheidscamera's, het Illinois-team ontdekte dat hun sprong in drie fasen kan worden opgesplitst:de pre-jump-fase, de startfase en de luchtlandingsfase. Als onderdeel van de pre-jump fase, het insect buigt zijn lichaam en handhaaft de positie door wrijving terwijl het energie opslaat. Terwijl nog steeds in contact met de grond, het begint energie vrij te geven tijdens de startfase door het zwaartepunt omhoog te stuwen. Tijdens de daaropvolgende luchtlandingsfase, het maakt een salto in de lucht en volgt een algemeen traject dat een ballistische beweging volgt terwijl de afzonderlijke lichaamseenheden rond het massamiddelpunt roteren. Met behulp van gegevens van live kevervideo's, Wissa en haar team hebben ook twee dynamische modellen ontwikkeld van de startfase en de luchtfase.

Tijdens de startfase wordt het wezen werd ook gemodelleerd als een schuifmechanisme dat wordt geactiveerd op het scharnierpunt - en Lagrangiaanse dynamiek werd gebruikt als onderdeel van een voorlopig tweemassamodel om de rotatie- en translatiebeweging te simuleren die door het insect in de lucht wordt waargenomen.

"Deze voortbewegingsstrategieën zijn nuttig als inspiratie voor nieuwe aandrijftechnieken voor toepassingen zoals robotica en landbouw, ' zegt Wissa.

"Nu robots alomtegenwoordig worden in ons dagelijks leven, ze zullen nodig zijn om missie-adaptief te worden. Hetzelfde platform zal nodig zijn om verschillende rollen te spelen. Bijvoorbeeld, dezelfde UAV [onbemand luchtvaartuig, of drone] nodig is om lading te vervoeren, obstakels vermijden, langer in de lucht blijven, en voer meerdere manoeuvres uit. Daarom adaptieve structuren, of structuren die hun vorm en functie kunnen aanpassen aan verschillende stimulerende middelen, zal de komende jaren kritischer worden, " zij voegt toe.

Multifunctionele robots

Zhao voorspelt dat kleine adaptieve robots veel veelbelovende toepassingen zullen hebben, variërend van "milieumonitoring en militair toezicht, om te zoeken en te redden in rampgebieden." Hij verwacht ook dat het kleine formaat goedkope en economische productie mogelijk zal maken, de mogelijkheid openen om ze in te zetten voor specifieke nichetoepassingen en om "automatisch mobiele sensornetwerken te vormen en samen te werken om bepaalde taken te volbrengen".

Toch, Zhao benadrukt dat twee belangrijke uitdagingen moeten worden overwonnen om adaptieve robots mogelijk te maken. Ten eerste, herconfiguratieprocessen moeten worden versneld om te bereiken wat hij omschrijft als 'realtime herconfiguratie'. Het herconfiguratieproces voor de CSU-robots duurt doorgaans enkele minuten, omdat het team de componenten die voor herconfiguratie worden gebruikt, moet opwarmen en afkoelen. Dit is een probleem omdat in sommige toepassingen, zoals morphing vleugels voor vliegende robots, de vleugels moeten in realtime van vorm veranderen om verschillende aerodynamische situaties aan te kunnen.

Ten tweede, Zhao zegt dat onderzoekers "nog steeds een fundamenteel en theoretisch raamwerk voor adaptieve robots moeten opzetten... als we verschillende gewenste configuraties willen bereiken, hoe moeten we de robot goed ontwerpen en de herconfiguratiestrategie specificeren? Er is geen duidelijk antwoord op zo'n hoogstaande vraag."

In een poging om de eerste uitdaging aan te gaan, Zhao legt uit dat onderzoekers nieuwe materialen kunnen gebruiken die minder energie nodig hebben om de stijfheid te veranderen, zoals legeringen met een laag smeltpunt, die bij lagere temperaturen overgaan van een stijve toestand naar een zachte toestand. Om de tweede uitdaging aan te gaan, hij onthult dat academici theoretische kaders kunnen ontwikkelen om alle mogelijke herconfiguraties voor een bepaald ontwerp te voorspellen, en vervolgens "gebruikmaken van computationele simulaties om een ​​ontwerp te synthetiseren om de gewenste configuraties te bereiken."

"Vooruit kijken, Ik denk dat we in staat zullen zijn om adaptieve robots te realiseren die allerlei mogelijkheden kunnen hebben, zoals wandelen, vliegen, zwemmen of klimmen, in de komende jaren. Dit kan worden bereikt door gebruik te maken van de enorme keuze aan digitale materialen die worden geboden door 3D-printen voor gebruik bij de fabricage van adaptieve robots en de miniaturisering van verschillende mechatronische componenten, bijvoorbeeld, sensoren, actuatoren en microcontrollers, evenals high-fidelity simulaties van mechanische systemen met heterogene materialen, speciaal voor zachte robots gemaakt van zachte materialen, " hij voegt toe.