Í miklum framförum í vélfærafræði hefur vélmenni með „mjúkum“ vöðvum sem líkjast mönnum verið hannað með góðum árangri í fyrsta skipti. Slík mjúk vélmenni geta verið blessun til að hanna mannvæn vélmenni í framtíðinni.
Vélmenni eru forritanlegar vélar sem eru reglulega notaðar í iðnaði, til dæmis sem hluti af sjálfvirkni, sérstaklega framleiðslu vegna þess að þær eru hannaðar til að vera góðar í endurtekin verkefni sem krefjast mikils styrks og krafts. Vélmenni hafa samskipti við líkamlega heiminn í gegnum skynjara og stýrisbúnað í þeim og þeir eru endurforritanlegir sem gera þá gagnlegri og sveigjanlegri en venjulegar einvirka vélar. Það er augljóst af því hvernig þessi vélmenni eru hönnuð til að vinna verkið að hreyfingar þeirra eru mjög stífar, stundum rykkvastar, vélrænar og þær eru þungar, hrífandi og þær eru ekki gagnlegar þegar tiltekið verkefni krefst breytilegs krafts á mismunandi tíma. stig. Vélmenni eru líka stundum hættuleg og gætu þurft örugga girðingu þar sem þau eru ekki viðkvæm fyrir umhverfi sínu. Svið vélfærafræði er að kanna margvíslegar greinar til að hanna, smíða, forrita og nota vélmenni á skilvirkan hátt á ýmsum sviðum iðnaðar og lækningatækni með mismunandi kröfur.
Í nýlegum tvíburarannsóknum undir forystu Christoph Keplinger hafa vísindamenn sett vélmenni með nýjum flokki vöðva sem eru mjög líkir vöðvum okkar manna og þeir búa yfir og varpa fram styrk og næmni eins og við. Aðalhugmyndin er að veita meira “eðlilegt” hreyfingar að vélinni þ.e. vélmenni. 99.9 prósent allra vélmenna í dag eru stífar vélar úr stáli eða málmi, en líffræðilegur líkami er mjúkur en hefur ótrúlega getu. Þessi vélmenni með „mjúka“ eða „raunverulegri“ vöðva geta verið hönnuð á viðeigandi hátt til að framkvæma venjubundin og viðkvæm verkefni (sem vöðvar manna sinna daglega), til dæmis bara að taka upp mjúkan ávöxt eða setja egg í körfu. Í samanburði við hefðbundin vélmenni, vélmenni með 'gervi vöðvar' verða eins og „mýkri“ útgáfur af sjálfum sér og öruggari og þá væri hægt að aðlaga þær til að framkvæma næstum hvaða verkefni sem er í nálægð fólks, sem bendir til nokkurra mögulegra forrita sem tengjast og í kringum mannlífið. Hægt er að kalla mjúk vélmenni sem „samvinnu“ vélmenni, þar sem þau verða einstaklega hönnuð til að framkvæma tiltekið verkefni á mjög svipaðan hátt og menn.
Vísindamenn hafa verið að reyna að búa til mjúka vöðvavélmenni. Slík vélmenni mun krefjast mjúkur vöðva tækni til að líkja eftir vöðvum manna og tvær slíkar tæknir hafa verið prófaðar af vísindamönnum - pneumatic actuators og dielectric elastomer actuators. „Stýribúnaðurinn“ er skilgreindur sem raunverulegt tæki sem hreyfir vélmennið, eða vélmennið sýnir ákveðna hreyfingu. Í pneumatic stýrisbúnaði er mjúkum poki dælt með lofttegundum eða vökva til að búa til ákveðna hreyfingu. Þetta er einföld hönnun en samt öflug þó að dælurnar séu ópraktískar og þær eru með fyrirferðarmikil geymi. Önnur tæknin - rafstýrðar teygjuhreyfingar nota hugmyndina um að beita rafsviði yfir einangrandi sveigjanlegt plast til að afmynda það og skapa þannig hreyfingu. Þessi tvö tækni ein og sér hefur ekki enn borið árangur því þegar rafmagnsbolti fer í gegnum plastið bila þessi tæki hrapallega og eru því ekki ónæm fyrir vélrænni skemmdum.
Meira“manna like“ vélmenni með svipaða vöðva
Í tvíburarannsóknum sem greint var frá í Vísindi1 og Vísindi Robotics2, Rannsakendur tóku jákvæðu hliðarnar á tveimur tiltækum mjúkvöðvatækni og bjuggu til einfaldan mjúkan vöðvalíkan stýribúnað sem notar rafmagn til að breyta hreyfingu vökva inni í litlum pokum. Þessir sveigjanlegu fjölliðapokar innihalda einangrunarvökva, til dæmis venjulega olíu (jurtaolíu eða canolaolíu) úr matvörubúðinni, eða hvaða álíka vökva er hægt að nota. Þegar spenna var sett á milli hydrogel rafskautanna sem komið var fyrir á milli tveggja hliða pokans, voru hliðarnar dregnar að hvorri annarri, olíukrampi á sér stað, sem kreistir vökvann í honum og veldur því að hann flæðir um innan í pokann. Þessi spenna skapar gervi vöðvasamdrátt og þegar rafmagnið er slitið slakar olían aftur á og líkir eftir gervi vöðvaslökun. Stýribúnaðurinn breytir um lögun á þennan hátt og hluturinn sem er tengdur stýrisbúnaðinum sýnir hreyfingu. Þess vegna dregst þessi 'gervi vöðvi' saman og losar (beygjast) samstundis á millisekúndum á sama hátt og með sömu nákvæmni og krafti og raunverulegir beinagrindarvöðvar. Þessar hreyfingar geta jafnvel slegið á hraða vöðvaviðbragða manna vegna þess að vöðvar manna hafa samtímis samskipti við heilann sem veldur töfum, þó að það sé ómerkjanlegt. Þess vegna, með þessari hönnun, náðist vökvakerfi sem hafði beina rafstýringu sem sýndi fjölhæfni og mikla afköst.
Í fyrstu rannsókninni1 in Vísindi, stýritæki voru hönnuð í formi kleinuhringja og þeir höfðu getu og handlagni til að taka upp og halda hindberjum í gegnum vélfæragripara (og ekki sprengja ávöxtinn!). Hugsanlegt tjón sem varð fyrir rafmagnsbolta þegar það fór í gegnum einangrunarvökvann (mikið vandamál með áður hönnuðum stýrisbúnaði) var einnig gætt í núverandi hönnun og allar rafmagnsskemmdir voru sjálfgrónar eða lagfærðar samstundis með nýjum flæði vökva inn í 'skemmda' hlutann með einföldu ferli endurdreifingar. Þetta var rakið til notkunar á fljótandi efni, sem er seigurra, í stað solids einangrunarlags sem notað var í mörgum fyrri hönnunum og skemmdist samstundis. Í þessu ferli lifði gervi vöðvinn meira en milljón samdráttarlotur. Þessi tiltekna stýribúnaður, sem var kleinuhringur í laginu, gat auðveldlega tínt hindber. Á sama hátt, með því að sérsníða lögun þessara teygjanlegu poka, bjuggu vísindamenn til breitt úrval af stýribúnaði með einstökum hreyfingum, til dæmis að taka upp viðkvæmt egg með nákvæmni og nákvæmlega nauðsynlegum krafti. Þessir sveigjanlegu vöðvar hafa verið kallaðir „vökvamagnaðir sjálfgræðandi rafstöðueiginleikar“ eða HASEL stýritæki. Í annarri rannsókn2 Birt í Science RoboticsSama teymi skapaði ennfremur tvær aðrar mjúkvöðvahönnun sem dragast saman línulega, mjög svipað og tvíhöfða manna, og hafa þannig getu til að lyfta hlutum sem eru þyngri ítrekað en eigin þyngd.
A Almenna skoðunin er sú að þar sem vélmenni eru vélar, þá hljóta þau vissulega að hafa forskot á menn, en þegar kemur að undraverðum hæfileikum sem vöðvarnir okkar gefa okkur, mætti einfaldlega segja að vélmenni fölni í samanburði. Vöðvi mannsins er afar öflugur og heilinn okkar hefur ótrúlega mikla stjórn á vöðvum okkar. Þetta er ástæðan fyrir því að vöðvar manna geta framkvæmt flókin verkefni með nákvæmni, td að skrifa. Vöðvarnir okkar dragast ítrekað saman og slaka á þegar við gerum mikið verkefni og það er sagt að við notum í raun aðeins um 65 prósent getu vöðva okkar og þessi mörk eru aðallega sett af hugsun okkar. Ef við getum ímyndað okkur vélmenni sem hefur mjúka vöðva eins og menn, þá væri styrkurinn og hæfileikinn gríðarlegur. Litið er á þessar rannsóknir sem fyrsta skrefið til að þróa stýribúnað sem gæti einn daginn náð gífurlegum getu raunverulegra líffræðilegra vöðva.
Hagkvæm „mjúk“ vélfærafræði
Höfundarnir segja að efni eins og kartöfluflögur fjölliða pokarnir, olía og jafnvel rafskaut séu ódýr og aðgengileg og kostar aðeins 0.9 USD (eða 10 sent). Þetta er uppörvandi fyrir núverandi iðnaðarframleiðslueiningar og fyrir vísindamenn að auka sérfræðiþekkingu sína. Efnin sem eru ódýr eru stigstærð og samhæf við núverandi starfshætti í iðnaði og slík tæki gætu verið notuð í fjölda notkunar eins og stoðtækja eða sem mannlegur félagi. Þetta er sérstaklega áhugaverður þáttur þar sem hugtakið vélfærafræði er alltaf jafnað við mikinn kostnað. Galli sem tengist slíkum gervivöðvum er mikið magn af rafmagni sem þarf til notkunar hans og það eru líka líkur á bruna ef vélmennið áskilur sér of mikið af afli sínu. Mjúk vélmenni eru mun viðkvæmari en hefðbundin vélmenni hliðstæða þeirra sem gerir hönnun þeirra erfiðari, til dæmis möguleika á að stinga, missa kraft og hella olíunni niður. Þessi mjúku vélmenni þurfa örugglega einhvers konar sjálfslæknandi þátt, eins og mörg mjúk vélmenni gera nú þegar.
Skilvirk og öflug mjúk vélmenni geta verið mjög gagnleg í mannslífum þar sem þau geta bætt manneskju og unnið með þeim eins og „samvinnu“ vélmenni frekar en vélmenni sem koma í stað manneskjunnar. Einnig gætu hefðbundnir gervihandleggir verið mýkri, notalegri og viðkvæmari. Þessar rannsóknir lofa góðu og ef hægt væri að takast á við mikla eftirspurn eftir krafti hefur það tilhneigingu til að gjörbylta framtíð vélmenna hvað varðar hönnun þeirra og hvernig þau hreyfa sig.
***
{Þú getur lesið upprunalegu rannsóknarritgerðina með því að smella á DOI hlekkinn sem gefinn er upp hér að neðan á listanum yfir tilvitnaðar heimildir}
Heimildir)
1. Acome o.fl. 2018. Vökvamagnaðir sjálfgræðandi rafstöðueiginleikar með vöðvalíka frammistöðu. Vísindi. 359 (6371). https://doi.org/10.1126/science.aao6139
2. Kellaris o.fl. 2018. Peano-HASEL stýringar: Vöðvahermandi, rafvökvabreytar sem dragast línulega saman við virkjun. Science Robotics. 3 (14). https://doi.org/10.1126/scirobotics.aar3276
