Poszukiwanie tworzenia maszyn, które poruszają się i wchodzą w interakcje, tak jak ludzie, od dawna fascynuje naukowców i inżynierów. Kluczowym wyzwaniem w tym pościgu jest opracowanie siłowników lub elementów związanych z ruchem, które mogą odtworzyć fizjologiczne postacie ludzkich mięśni, takich jak zmienna sztywność. Tradycyjne projekty często nie mają możliwości dostosowania sztywności do różnych zadań, ograniczając ich wydajność i bezpieczeństwo. Wyobraź sobie nowy rodzaj siłownika, który bezproblemowo łączy miękkie i sztywne właściwości, dostosowując sztywność popytu, aby sprostać różnorodnym wyzwaniom. Ta wizja jest teraz bliższa rzeczywistości, przynosząc potencjał robotów, które działają bardziej harmonijnie z ludźmi i ich środowiskiem.
Pojawiło się coś niezwykłego w robotyce, oferując nowy sposób odtworzenia funkcji mięśni ludzkich. Profesor Ning Xi i jego zespół z University of Hongkong opracowali skręcony siłownik smyczkowy. Ich praca, opublikowana w dobrze stwierdzonym czasopiśmie Scientific Reports, pokazuje sztuczny mięsień, który dynamicznie dostosowuje swoją sztywność w celu zaspokojenia różnych wymagań, oznaczając znaczny postęp w robotyce inspirowanej bio.
Siłownik integruje skręcony mechanizm struny, który przekształca ruch obrotowy w ruch liniowy, ze specjalnie sformułowanym żelem stabilającym ścinanie, który stwardniał, gdy jest poddawany szybkiej sile. Ta kombinacja umożliwia systemowi dostosowanie jego sztywności i elastyczności w oparciu o prędkość skręcania. Przy wyższych prędkościach żel zmienia się ze stanu miękkiego na sztywne, co znacznie zwiększa zdolność do transmisji sił. Na przykład elastyczność siłownika wzrosła mniej więcej trzykrotnie przy wyższych prędkościach skręcających w porównaniu do niższych prędkości. Ta elastyczność pozwala tym systemom naśladować szeroki zakres sztywności wykazywanej przez ludzkie mięśnie, umożliwiając bezpieczne i wydajne interakcje ludzkie.
Ludzka fizjologia zapewniła inspirację do projektu, szczególnie zdolność organizmu do dostosowywania sztywności mięśni do zadań, od podnoszenia ciężkich przedmiotów po wykonywanie delikatnych działań. „Integrując żel z nitą ścinającą, staraliśmy się stworzyć siłowniki, które nie tylko powtarzają naturalną modulację sztywności mięśni, ale także oferują praktyczne rozwiązanie robotyki do noszenia”-wyjaśnił profesor XI. Ich unikalna konstrukcja łączy włókna KeVlar i Dyneema o wysokiej wytrzymałości, materiały znane ze swojej wyjątkowej trwałości i lekkości, pokryte żelem, co skutkuje systemami, które są lekkie, elastyczne i zdolne do generowania znacznej siły.
Dokładne testy wykazały, że siłownik znacznie zwiększył swoją elastyczność przy maksymalnych prędkościach skręcania w porównaniu do niższych prędkości. Ta zdolność do dynamicznego dostosowywania sztywności podkreśla jej potencjał zastosowania w protetyce, egzoszkieletach i urządzeniach rehabilitacyjnych. Protetycy odnoszą się do sztucznych urządzeń, które zastępują brakujące części ciała, podczas gdy egzoszkielety są systemami robotycznymi zaprojektowanymi w celu zwiększenia ruchliwości i siły człowieka. Takie systemy mogą skutecznie wspierać mięśnie ludzkie poprzez zrekompensowanie utraty ruchu, oferując szczególne korzyści osobom z wyzwaniami mobilności lub osłabienie mięśni związanych z wiekiem.
Wyniki badań podkreślają zdolność adaptacyjną i wydajność siłownika. Regulując prędkości skręcania, system osiągnął różne poziomy sztywności i elastyczności, które bardzo przypominają mechaniczne zachowanie ludzkich mięśni. Ponadto zaobserwowano, że zdolność generująca siłę lub zdolność do wytwarzania ruchu i wsparcia pod napięciem znacznie się poprawiła przy wyższych prędkościach skręcających, dzięki czemu ta technologia jest obiecującym rozwiązaniem dla zadań wymagających zarówno siły, jak i precyzji.
Ustalenia z badania profesora XI i kolegi podkreślają potencjał siłownika do zrewolucjonizowania robotyki do noszenia i technologii wspomagających. „Ten rozwój łączy lukę między sztucznymi systemami a inspiracją biologiczną, oferując przyszłość, w której roboty i ludzie mogą płynnie współpracować” – zauważył profesor XI. Jego kompaktowa konstrukcja i wszechstronność sprawiają, że nadaje się do szerokiej gamy zastosowań, w tym kończyn robotycznych, robotów wspomagających do noszenia i urządzeń rehabilitacyjnych.
Poprzez połączenie zaawansowanej nauki materialnej, która bada właściwości i zastosowania materiałów, oraz inspirowaną bio inżynierii, która przyciąga pomysły z natury do rozwiązywania ludzkich wyzwań, innowacja ta przygotowuje scenę dla nowej ery robotyki, która jest zgodna z ludzkimi zdolnościami. W miarę ewolucji technologii obiecuje przekształcić życie, szczególnie dla osób potrzebujących zwiększonej mobilności lub pomocy fizycznej.
Referencje dziennika
Zhang Q., Xue Y., Zhao Y., Zou K., Yuan W., Tian Y., Chen J., Chen J., Xi N. „Skręcony sznurek z sztywnością usztywniającego dla robotów. ” Raporty naukowe, 2024, 14 (4710). Doi: https://doi.org/10.1038/s41598-024-55405-x
O autorze
Profesor Ning XI otrzymałem D.Sc. Stopień naukowy i matematyki Systems na Washington University w St. Louis, Missouri, USA w grudniu 1993 r. Obecnie jest profesorem robotyki i automatyzacji, dyrektorem Advanced Technologies Institute oraz szefem Departamentu Inżynierii danych i systemów w University of Hongkong. Przed dołączeniem do University of Hongkong był profesorem wyróżniającym się na uniwersytecie, profesorem John D. Ryder inżynierii elektrycznej i komputerowej oraz dyrektorem laboratorium robotyki i automatyzacji na Michigan State University w Stanach Zjednoczonych. Prof. Xi jest członkiem IEEE. Pełnił również funkcję prezesa IEEE Nanotechnology Council (2010-2011) i prezesa IEEE Robotics and Automation Society (2018). Jego zainteresowania badawcze obejmują robotykę, sztuczną inteligencję, automatyzację produkcyjną, produkcję mikro/nano, technologię nano-bio, czujniki oraz inteligentną kontrolę i systemy.
