Что нужно знать о мягких роботах

Мировой рынок мягкой робототехники через пять лет достигнет $6,3 млрд

Роботы из жестких материалов одинаково хорошо справляются как с однотипными задачами, — например, работой на конвейере, — так и с задачами, требующими применения физической силы. Однако они далеко не универсальны. Более функциональными за счет своей гибкости и подвижности считаются мягкие роботы. Это устройства из эластичных материалов, способных менять форму, что позволяет машине адаптироваться к условиям окружающей среды наравне с живым существом. Пока этот раздел робототехники находится на ранней стадии развития, однако изобретатели постоянно совершенствуют свои разработки и придумывают новые способы применения мягких роботов.

«То, что делает [жесткого] робота точным и сильным, также делает его ужасно неэффективным в реальном мире, так как он не обладает пластичностью», — обозначила недостаток автоматизированных устройств из мягких материалов биомедицинский инженер из США Джада Гербони во время своего выступления на TED в 2018 году. По словам эксперта, основная задача мягкой робототехники заключается в том, чтобы создавать устройства, способные приспосабливаться к окружающей среде и функционировать в условиях неопределенности.

Эксперты прогнозируют, что в ближайшие годы спрос на подобные устройства будет стремительно расти. Как предполагают в американской аналитической компании Mordor Intelligence, мировой рынок мягкой робототехники будет увеличиваться примерно на 40,5% в год и к 2026 году достигнет $6,3 млрд по сравнению с $1 млрд в 2020 году.

Сферы применения мягких роботов

Как отмечают в Mordor Intelligence, одним из стимулов для развития рынка мягкой робототехники станет растущая потребность в автоматизации многих отраслей, включая пищевую промышленность и ретейл. В частности, мягкие роботы могут использоваться для «захвата» хрупких товаров (например, яиц), обнаружения слишком спелых или испортившихся продуктов, перестановки контейнеров неправильной формы, комплектации продуктовых корзин. Созданием мягких «роботов-хватателей», работающих при помощи искусственного интеллекта, в том числе занимается американская компания Soft Robotics.

По мнению Джады Гербони, одной из самых перспективных сфер для применения мягких роботов является медицина, в том числе минимально инвазивная хирургия. В этом случае хирургическое вмешательство осуществляется через один или несколько небольших разрезов с использованием камер. Преимущество таких операций заключается в том, что они снижают риск развития осложнений и занесения инфекций, а также сокращают период восстановления. Однако врачи вынуждены использовать жесткие и полужесткие инструменты, которые ограничивают их возможности.

Джада Гербони и группа исследователей из Высшей школы Святой Анны (Scuola Superiore Sant’Anna, Пиза, Италия) разработали гибкий роботизированный прибор с высоким уровнем маневренности. Он изготавливается из силикона и состоит из нескольких модулей, каждый из которых имеет одинаковые функциональные характеристики. Модули оснащены механизмом, который может менять жесткость конструкции во время выполнения задач. Прибор приводится в движение с помощью пневмопривода (работает на энергии сжатого воздуха. — Прим. Plus-one.ru). Испытания показали, что он может изгибаться до 120° и увеличиваться в длине на 66%. Его жесткость может повышаться до 36%.

Помимо проведения операций, мягкие роботы могут использоваться для обследования и восстановления внутренних органов, реабилитации функций верхних и нижних конечностей. Уже изобретены роботизированная перчатка для хватания предметов и экзокостюм, облегчающий процесс ходьбы и бега.

Еще одна сфера применения мягких роботов — космические исследования. Например, в Национальном управлении по аэронавтике и исследованию космического пространства (НАСА) работают над созданием устройств из силикона, которые можно будет использовать для изучения жизни на других планетах. Они печатаются на 3D-принтере и оснащены камерами и трубками, которые при поступлении воздуха приводят конструкцию в движение.

Прототипами для мягких роботов стали живые существа

Осьминог

В 2016 году ученые из Гарвардского университета представили первого мягкого робота под названием Octobot. Это полностью автономное портативное устройство без жестких электронных элементов, которое внешне напоминает осьминога (от англ. octopus — «осьминог», bot — «робот»). «Тело» Octobot представляет собой комплекс топливных резервуаров, реакционных камер, клапанов и микроканалов. В результате химической реакции, которая происходит между жидким топливом — перекисью водорода — и катализатором — платиной, образуется большое количество газа. Оно поступает в восемь щупалец робота и заставляет его двигаться. Излишки газа выходят через специальные отверстия, благодаря чему робот не взрывается.

Все компоненты 10-сантиметрового Octobot печатаются на 3D-принтере, что, по словам разработчиков, делает его простым в производстве. Кроме того, оно обходится довольно дешево, а значит, по оценкам издания Fortune, может быть массовым. Один из авторов исследования Майкл Венер отмечал, что подобные устройства способны проникать в замкнутые пространства. Это говорит о том, что их можно использовать во время поисково-спасательных операций или даже при лечении болезней внутренних органов. Еще одно преимущество мягких роботов, по его словам, заключается в том, что, работая рядом с людьми, они едва ли смогут нанести им вред, чего не скажешь о конструкциях с жесткими элементами.

Рыба

Сотрудники из Массачусетского технологического института тоже вдохновились природой и создали мягкого робота-рыбу SoFi, которая предназначена для наблюдения за подводной жизнью. Правда, в отличие от Octobot, она оснащена жесткими деталями — камерой, двигателем и литий-полимерным аккумулятором (используется в смартфонах и другой электронике. — Прим. Plus-one.ru). При этом у нее есть гибкий хвост с двумя резервуарами, в которые закачивается вода. Когда вода поступает в один из них, хвост изгибается в одну сторону, а когда в другой — в другую. Благодаря этому рыба может менять направление движения. По бокам у робота есть два плавника, которые регулируют угол наклона SoFi при погружении и всплытии. Задняя часть рыбы изготовлена из силиконовой резины и гибкого пластика. Голова, где расположена вся электроника, напечатана на 3D-принтере. Управление устройством происходит через акустическую систему, которая принимает сигналы от оператора. Во время испытаний в водах вокруг островов Фиджи SoFi плавала на глубине 50 м в течение 40 минут и при этом делала фотографии и снимала видео высокого разрешения.

Скат

Сотрудники Сингапурского университета технологии и дизайна в свою очередь разработали новый способ изготовления мягких роботов. В его основу легла технология 3D-печати, благодаря которой можно одновременно использовать несколько разных материалов, а также метод топологической оптимизации, позволяющий наилучшим образом распределить эти материалы в пределах определенного набора ограничений. Инженеры создали мягкого робота, прототипом которого стал скат.

Робот состоит из корпуса, напечатанного на 3D-принтере методом наплавления нитей (Fused Filament Fabrication, FFF). В корпус встроены микроконтроллер (микросхема для управления электронными устройствами. — Прим. Plus-one.ru), аккумулятор и индукционное (беспроводное) зарядное устройство, которые обеспечивают его полную автономность. Сверху корпус покрыт оболочкой из мягкого полимера. Исследователи провели несколько экспериментов с использованием роботов с тремя типами плавников — из жестких материалов, мягких материалов и их сочетания, пропорции для которого были рассчитаны с помощью топологической оптимизации. Выяснилось, что роботы с композитными плавниками быстрее плавали и лучше маневрировали по сравнению с остальными моделями. Ученые отмечают, что существующие методы производства мягких роботов, в том числе ручное литье (в этом случае компоненты изготавливаются в несколько этапов. — Прим. Plus-one.ru), ограничивают их возможности. Новая технология, по их мнению, позволяет создавать сложные конструкции с высоким уровнем производительности.

Подписывайтесь на канал +1 в Яндекс.Дзен.