Inspirat de creaturile vii, cercetătorii au dezvoltat un picior robotic cu „muşchi artificiali". Acesta sare pe diferite terenuri într-un mod agil şi eficient din punct de vedere energetic.
Oamenii de ştiinţă dezvoltă roboţi de aproape 70 de ani. Până în prezent, toate maşinile pe care le-au construit au avut un lucru în comun: sunt acţionate de motoare, o tehnologie care are deja 200 de ani. Chiar şi roboţii care merg au braţe şi picioare care sunt acţionate de motoare, nu de muşchi ca la oameni şi animale. Acest lucru sugerează în parte de ce nu au mobilitatea şi adaptabilitatea creaturilor vii.
Un nou picior robotic propulsat de muşchi nu numai că este mai eficient din punct de vedere energetic decât unul convenţional, dar poate, de asemenea, să efectueze salturi înalte şi mişcări rapide, precum şi să detecteze şi să reacţioneze la obstacole - toate acestea fără a fi nevoie de senzori complecşi.
Noul picior a fost dezvoltat de cercetători de la ETH Zurich şi Institutul Max Planck pentru Sisteme Inteligente (MPI-IS) în cadrul unui parteneriat de cercetare numit Centrul Max Planck ETH pentru Sisteme de Învăţare (CLS).
Piciorul robotic musculoscheletic inspirat de animale este descris într-un articol publicat luni în revista Nature Communications.
Cercetătorii speră că tehnica lor va fi folosită pentru roboţi umanoizi capabili de „sarcini domestice plictisitoare", a declarat într-un comunicat Robert Katzschmann, coautor al studiului.
Cercetătorii au fost inspiraţi de faptul că corpul uman foloseşte aproximativ 600 de muşchi pentru a crea un robot capabil să meargă şi să sară în mod continuu.
Pentru a face acest lucru, ei au folosit „muşchi artificiali", cunoscuţi şi sub denumirea de actuatoari electrohidraulici.
Aceşti muşchi arată ca nişte pungi mici de congelare, ataşate la oasele metalice ale piciorului robotic. Umpluţi cu ulei şi echipaţi cu electrozi, muşchii artificiali se contractă şi se relaxează, mimând mişcarea unui muşchi animal.
Roboţii umanoizi obişnuiţi sunt fabricaţi cu motoare şi îmbinări metalice rigide similare celor utilizate pe liniile de asamblare industriale, a explicat Katzschmann, profesor de robotică la Şcoala politehnică federală din Zurich.
Roboţii industriali sunt mult prea grei, prin urmare periculoşi, şi prea scumpi pentru a fi folosiţi acasă, potrivit profesorului. Un robot domestic ar trebui să fie capabil nu numai să transporte, „ci şi să îmbrăţişeze sau să strângă mâna".
Tehnica muşchilor artificiali are avantajul că foloseşte mai puţină energie decât un motor tradiţional atunci când genunchiul robotului este îndoit, potrivit studiului.
De asemenea, tehnica permite piciorului să abordeze terenuri dificile cu mai multă agilitate, potrivit cercetătorilor.
Piciorul testat efectuează sărituri de 13 centimetri, sau 40% din înălţimea sa, dar poate executa această manevră doar în cerc în această etapă, fiind conectat la o axă în jurul căreia se roteşte.
Un robot umanoid care să funcţioneze în întregime cu muşchi artificiali nu a fost încă realizat, chiar dacă profesorul Katzschmann consideră că producţia în masă a muşchilor artificiali, facilitată de costul scăzut al componentelor sale, ar putea accelera acest proiect.
Încărcat electric ca un balon
La fel ca la oameni şi animale, un muşchi extensor şi unul flexor asigură că piciorul robotic se poate mişca în ambele direcţii.
Aceste dispozitive de acţionare electrohidraulice, pe care cercetătorii le numesc HASEL, sunt ataşate la schelet prin tendoane.
Dispozitivele de acţionare sunt pungi de plastic umplute cu ulei, asemănătoare cu cele folosite pentru a face cuburi de gheaţă. Aproximativ jumătate din fiecare pungă este acoperită pe fiecare parte cu un electrod realizat dintr-un material conductor.
Autorii explică faptul că de îndată ce se aplică o tensiune electrozilor, aceştia sunt atraşi unul de celălalt datorită electricităţii statice. În mod similar, atunci când frecăm un balon de cap, părul se lipeşte de balon datorită aceleiaşi electricităţi statice, sugerează ei. Pe măsură ce se măreşte tensiunea, electrozii se apropie şi împing uleiul din pungă într-o parte, făcând punga mai scurtă.
Perechile acestor dispozitive de acţionare sunt ataşate unui schelet determină aceleaşi mişcări musculare pereche ca la fiinţele vii: când un muşchi se scurtează, omologul său se lungeşte. Cercetătorii folosesc un cod informatic care comunică cu amplificatoare de înaltă tensiune pentru a controla care dispozitive se contractă şi care se extind.
Mai eficiente decât motoarele electrice
Cercetătorii au comparat eficienţa energetică a piciorului lor robotic cu cea a unui picior robotic convenţional acţionat de un motor electric.
Printre altele, ei au analizat câtă energie este transformată inutil în căldură.
„Pe imaginea în infraroşu, este uşor de văzut că piciorul motorizat consumă mult mai multă energie dacă, de exemplu, trebuie să menţină o poziţie îndoită”, explică ei.
Temperatura piciorului electrohidraulic, în schimb, rămâne aceeaşi. Acest lucru se datorează faptului că muşchiul artificial este electrostatic.
De obicei, roboţii acţionaţi de motoare electrice au nevoie de gestionarea căldurii, ceea ce necesită radiatoare suplimentare sau ventilatoare pentru difuzarea căldurii în aer. Sistemul nou dezvoltat nu are nevoie de astfel de dispozitive.
Mişcare agilă pe teren accidentat
Capacitatea piciorului robotic de a sări se bazează pe capacitatea sa de a-şi ridica propria greutate într-un mod foarte rapid.
Cercetătorii au arătat, de asemenea, că piciorul robotic are un grad ridicat de adaptabilitate, ceea ce este deosebit de important pentru robotica soft (componente moi).
Numai dacă sistemul musculo-scheletic are suficientă elasticitate se poate adapta în mod flexibil la terenul în cauză.
„Nu este diferit în cazul fiinţelor vii. Dacă nu ne putem îndoi genunchii, de exemplu, mersul pe o suprafaţă denivelată devine mult mai dificil”, Robert Katzschmann de la ETH Zurich care a condus echipa CLS. „Gândiţi-vă doar la un pas şi anume, coborârea de pe trotuar pe şosea”.
Spre deosebire de motoarele electrice care necesită senzori pentru a spune în mod constant la ce unghi se află piciorul robotic, muşchiul artificial se adaptează la poziţia potrivită prin interacţiunea cu mediul. Acest lucru este determinat doar de două semnale de intrare: unul pentru a îndoi articulaţia şi unul pentru a o extinde.
Adaptarea la teren este un aspect esenţial, spun cercetătorii. Atunci când o persoană aterizează după ce a sărit în aer, nu trebuie să se gândească în prealabil dacă ar trebui să-şi îndoaie genunchii la un unghi de 90 de grade sau de 70 de grade, explică ei. Acelaşi principiu se aplică şi sistemului musculo-scheletic al piciorului robotic: la aterizare, articulaţia piciorului se deplasează adaptiv într-un unghi adecvat, în funcţie de faptul dacă suprafaţa este dură sau moale.
Tehnologia emergentă deschide noi posibilităţi
Domeniul de cercetare al actuatoarelor electrohidraulice este încă tânăr, apărând doar în urmă cu aproximativ şase ani.
„Domeniul roboticii înregistrează progrese rapide în ceea ce priveşte comenzile avansate şi învăţarea automată; în schimb, s-au înregistrat mult mai puţine progrese în ceea ce priveşte hardware-ul robotic, care este la fel de important. Această cercetare este o reamintire pentru cât de mult potenţial de inovare vine din introducerea de noi concepte hardware, cum ar fi utilizarea muşchilor artificiali”, scriu cercetătorii.
Comparativ cu roboţii care merg cu motoare electrice, sistemul nostru este încă limitat. Piciorul este în prezent ataşat la o tijă, sare în cercuri şi nu se poate mişca încă liber, au precizat autorii.
Lucrările viitoare ar trebui să depăşească aceste limitări, deschizând uşa către dezvoltarea unor roboţi cu mers real bazat pe muşchi artificiali.
Cercetătorii vor să combine piciorul robotic într-un robot patruped sau într-un robot umanoid cu două picioare, şi speră că, în viitor, va putea fi alimentat cu baterii, şi va putea fi folosit ca robot de salvare.
Foto articol: Piciorul robotic care sare pe diferite terenuri. Credit Imagine: Thomas Buchner / ETH Zurich şi Toshihiko Fukushima / Institutul Max Planck pentru Sisteme Inteligente, 9 septembrie 2024.
