Wynalazek inżynierów z Maryland trafił na okładkę najnowszego wydania czasopisma naukowego „Science Advances” jako przykład innowacji w tzw. miękkiej robotyce (ang. soft robotics). Miękka robotyka to specyficzna dziedzina robotyki, skupiająca się na konstruowaniu robotów z wysoce elastycznych materiałów, podobnych do tych, które można znaleźć w żywych organizmach.

Miękka robotyka jako nowa gałąź robotyki

W przeciwieństwie do robotów budowanych ze zwykłych kompozytów, wytwory miękkiej robotyki mają wyższą zdolność dostosowywania się do wykonywanych zadań. Są też bardziej elastyczne i bezpieczniejsze w pracy z ludźmi.

Miękkie manipulatory charakteryzują się unikatową kinematyką, która pozwala na dostosowywanie kształtu manipulatora do otoczenia, a także na docieranie do punktów nieosiągalnych dla tradycyjnych manipulatorów. Te właściwości, w połączeniu z zapewnionym przez ich konstrukcję bezpieczeństwem kontaktu z otoczeniem, powodują, że robotyka miękka idealnie nadaje się do wykorzystania w chirurgii” – wyjaśnia Przemysłowy Instytut Automatyki i Pomiarów.

Ponadto miękka robotyka stawia na tworzenie maszyn zasilanych wodą, powietrzem lub energią słoneczną, a nie elektrycznością, jak większość obecnie istniejących. Wysokie wymagania miękkiej robotyki niosą ze sobą jednak wiele wyzwań. Jednym z nich jest na przykład kontrolowanie płynów, których przepływ odpowiada za ruchy robotów. Pomyślnie przeprowadzony „test Super Mario” może więc okazać się przełomem w tej kwestii.

Innowacyjny wielomateriałowy druk 3D

Kluczowym osiągnięciem zespołu, kierowanego przez doktoranta inżynierii mechanicznej Ryana D. Sochola, było wydrukowanie w 3D kompletnego mechanizmu dłoni wyposażonego w „zintegrowany system obwodów płynowych”. System ten to sieć połączonych ze sobą przewodów płynowych, dzięki którym operator robota może dowolnie sterować ruchami palców.

– Niedawno kilka zespołów próbowało wykorzystać obwody płynowe w celu zwiększenia autonomii robotów miękkich, ale budowa i integrowanie tych obwodów z robotami mogą zająć od kilku dni do kilku tygodni. Wymaga to wiele ręcznej pracy i umiejętności technicznych – mówi dr Ruben Acevedo, współautor nowego badania.

Twórcy nowego robota obeszli te trudności, decydując się na wykorzystanie druku PolyJet 3D. Ta technika przypomina korzystanie z kolorowej drukarki atramentowej, ale zamiast różnych kolorów oferuje wiele różnych materiałów. Dzięki temu jest w stanie wydrukować kompletne urządzenie za jednym podejściem, bez konieczności późniejszego łączenia elementów.

– W ciągu jednego dnia i przy niewielkim nakładzie pracy jesteśmy w stanie przejść od naciśnięcia przycisku „start” na drukarce 3D do posiadania kompletnych miękkich robotów wyposażonych w miękkie siłowniki i elementy obwodów płynowych. Są gotowe do użycia – mówi kolejna współautorka, Kristen Edwards.

Ruchami palców steruje czujnik ciśnienia

W większości podobnych wcześniejszych projektów każdy palec robotycznej dłoni potrzebował oddzielnego przewodu, co mogło ograniczać użyteczność i funkcjonalność wynalazku. Ale zespół z Maryland opracował system oparty na jednym wspólnym czujniku ciśnienia, który steruje wszystkimi palcami dłoni.

W ramach demonstracji możliwości robotycznej dłoni, naukowcy postanowili zagrać nią w Super Mario. Dłoń zamontowano obok klasycznego kontrolera do konsoli Nintendo, a następnie włączono grę. Zastosowanie niskiego ciśnienia płynów powodowało, że zareagował tylko jeden palec robota – nacisnął konkretny przycisk i Mario ruszył przed siebie. Z kolei wysokie ciśnienie powodowało, że trzy palce robota reagowały naciskając przyciski, w efekcie czego Mario na ekranie podskakiwał.

Robotyczna dłoń kierowana przez specjalny program, który automatycznie zmieniał ciśnienie, była w stanie ukończyć pierwszy poziom Super Mario w mniej niż 90 sekund.

Decyzja o przeprowadzeniu testu z pomocą gry Super Mario była motywowana zarówno nauką, jak i zabawą – wyjaśniają autorzy badania. Ponieważ zarówno czas gry, jak i wygląd poziomów są ściśle ustalone, a do natychmiastowego zakończenia gry wystarczy jeden błąd, gra zapewniła badaczom idealne narzędzie do oceny funkcjonalności i wydajności wynalazku.

Wyniki pracy naukowców dostępne dla wszystkich

Zespół Sochola poinformował, że zamierza podzielić się wynikami swojej pracy z naukowcami z całego świata. Dostępne online będą nie tylko ostateczne wyniki samego eksperymentu, lecz także wszystkie materiały uzupełniające i pliki projektowe dotyczące budowy robotycznej dłoni.

– Udostępniamy wszystkie nasze zasoby, aby każdy mógł łatwo pobrać i modyfikować projekty, a potem drukować miękkie roboty i elementy obwodów płynowych, które wykorzystaliśmy w naszej pracy. Mamy nadzieję, że ta strategia przyspieszy postęp w dziedzinie miękkiej robotyki – powiedział Sochol.

Obecnie zespół bada zastosowanie swojej technologii w biomedycynie, w tym w urządzeniach rehabilitacyjnych, narzędziach chirurgicznych i personalizowanych protezach.

 

Źródła: Science Advances, University of Maryland.