عضلات مصنوعی الهام‌گرفته از طبیعت، ربات‌ها را نیرومندتر از همیشه می‌کنند!
به گزارش گروه دانشگاه خبرگزاری دانشجو، ربات‌های آینده می‌توانند به زودی قدرت عضلانی بسیار بیشتری داشته باشند. مهندسان دانشگاه نورث وسترن یک عضله مصنوعی نرم توسعه داده‌اند که راه را برای ربات‌های مستقل در مقیاس حیوانات و انسان هموار می‌کند. این عضلات جدید یا محرک‌ها، عملکرد و خواص مکانیکی مورد نیاز برای ساخت سیستم‌های اسکلتی-عضلانی رباتیک را فراهم می‌کنند.
برای نشان دادن قابلیت‌های این عضله مصنوعی، مهندسان آنها را در یک پای انسان‌نما با اندازه واقعی، مجهز به «استخوان‌های» پلاستیکی سفت و سخت، «تاندون‌های» الاستیک و حتی یک حسگر که ربات را قادر می‌سازد حرکات خود را «احساس» کند، پیاده‌سازی کردند. این پا از سه عضله مصنوعی - عضله چهارسر ران، همسترینگ و ساق پا - برای خم کردن مفاصل زانو و مچ پا استفاده می‌کرد. این عضلات به اندازه کافی انعطاف‌پذیر هستند که ضربات را جذب کنند، اما همچنان می‌توانند قدرت و حرکت کافی برای پرتاب توپ والیبال از روی پایه را اعمال کنند.
نوآوری جدید در مواد الهام گرفته از طبیعت می‌تواند نحوه راه رفتن، دویدن، تعامل با انسان‌ها و جهت‌یابی ربات‌ها در دنیای اطرافشان را تغییر دهد.
این مطالعه در تاریخ ۲۴ جولای در مجله Advanced Materials منتشر شد.
رایان تروبی، نویسنده ارشد این مطالعه از دانشگاه نورث وسترن، گفت: «ربات‌ها معمولاً از مواد و مکانیسم‌های سفت و سختی ساخته می‌شوند که امکان حرکت دقیق برای وظایف خاص را فراهم می‌کنند. اما دنیای واقعی دائماً در حال تغییر و فوق‌العاده پیچیده است. هدف ما ساخت بدن‌های رباتیک الهام گرفته از زیست‌بوم است که بتوانند انعطاف‌پذیر، سازگار و پذیرای عدم قطعیت دنیای فیزیکی باشند.»
«این شامل گرد هم آوردن نه تنها عضلات مصنوعی کاربردی، بلکه اجزای شبیه استخوان و تاندون یا رباط به رباتیک نیز می‌شود. اگر بتوانیم این کار را انجام دهیم، ربات‌ها نه تنها انعطاف‌پذیرتر و سازگارتر می‌شوند، بلکه می‌توانند مکانیک مواد نرم‌تر را برای کارآمدتر شدن مهار کنند.»
تروبی استاد جوان علوم و مهندسی مواد و مهندسی مکانیک در دانشکده مهندسی مک‌کورمیک است، جایی که او آزمایشگاه ماده رباتیک را مدیریت می‌کند. تاکیونگ کیم، محقق فوق دکترا در آزمایشگاه تروبی، اولین نویسنده این مطالعه است.
چالش‌های فعلی در تکثیر عضلات
اکثر ربات‌های فعلی که سفت، سخت و سنگین هستند، در سازگاری روان با زمین‌های ناهموار یا انجام وظایف پیچیده و ظریف بدون شکستن اشیاء دیگر یا آسیب رساندن به خودشان مشکل دارند.
کیم گفت: «ساخت ربات‌هایی بدون انطباق فیزیکی، دشوار است که به تغییرات خارجی به راحتی پاسخ دهند یا با آنها سازگار شوند و با خیال راحت با انسان‌ها تعامل داشته باشند. برای اینکه ربات‌های آینده در محیط‌های بدون ساختار، طبیعی‌تر و ایمن‌تر حرکت کنند، باید آنها را بیشتر شبیه بدن انسان طراحی کنیم - با اسکلت‌های سخت و محرک‌های نرم و شبیه عضله.
اخیراً، متخصصان رباتیک شروع به توسعه محرک‌های نرم با خواص مکانیکی شبیه عضله کرده‌اند. اما رویکرد‌های فعلی اغلب به تجهیزات بزرگ و سنگین برای تأمین انرژی یا هدایت آنها نیاز دارند؛ و حتی در این صورت، آنها به اندازه کافی بادوام نیستند و نمی‌توانند نیروی کافی برای انجام وظایف واقعی ایجاد کنند.
تروبی گفت: «مهندسی مواد نرم برای عملکردی مانند عضله واقعاً دشوار است. حتی اگر بتوانید یک ماده را مانند یک عضله مصنوعی به حرکت درآورید، چالش‌های بسیار دیگری مانند انتقال نیروی کافی با قدرت کافی وجود دارد. اتصال آنها با ویژگی‌های سفت و سخت مانند استخوان، مشکلات بیشتری را ایجاد می‌کند.»
ساخت عضله مصنوعی
برای غلبه بر این چالش‌ها، تیم به محرکی که قبلاً در آزمایشگاه تروبی توسعه داده شده بود، نگاه کرد. در قلب این محرک، یک ساختار استوانه‌ای چاپ سه‌بعدی به نام "آگزتیک برشی دستی" (HSA) وجود دارد. HSA ساختار پیچیده‌ای دارد که حرکات و ویژگی‌های منحصر به فردی مانند کشش و انبساط هنگام پیچ خوردن را ممکن می‌سازد.
حرکت چرخشی مورد نیاز برای حرکت HSA می‌تواند توسط یک موتور الکتریکی کوچک و یکپارچه ایجاد شود. کیم روشی برای چاپ سه‌بعدی HSAها از یک لاستیک رایج و ارزان که اغلب در قاب‌های تلفن همراه استفاده می‌شود، توسعه داد.
در طراحی جدید خود، این تیم HSA را در یک ساختار دم اوریگامی لاستیکی قرار داد که به موتور چرخان اجازه می‌دهد تا انبساط و انقباض محرک‌های مونتاژ شده را هدایت کند. محرک‌ها اکنون با قدرت چشمگیری فشار می‌آورند و می‌کشند و مانند عضلات مصنوعی عمل می‌کنند. این عضله حتی می‌تواند هنگام تحریک به صورت پویا سفت شود - درست مانند یک عضله انسانی.
هر عضله تقریباً به اندازه یک توپ فوتبال وزن دارد و کمی بزرگتر از یک قوطی نوشابه است. این عضله می‌تواند تا ۳۰ ٪ از طول خود کشیده شود، کوچک شود و اجسامی ۱۷ برابر سنگین‌تر از خودش را بلند کند. شاید مهمترین نکته برای استفاده از آنها در بدن‌های رباتیک، این باشد که این عضله می‌تواند با باتری تغذیه شود و نیاز به تجهیزات سنگین و خارجی را برطرف کند.
پایی در مقیاس انسانی که می‌تواند «لگد بزند» و «حس» کند
برای نشان دادن پتانسیل این عضله در دنیای واقعی، تروبی، کیم و تیمشان از چاپ سه‌بعدی برای ساخت یک پای رباتیک در اندازه انسان استفاده کردند. این تیم "استخوان‌های" پا را از پلاستیک سفت و اتصالات الهام گرفته از تاندون از لاستیک ساختند. تاندون‌های الاستیک، عضلات چهارسر ران و همسترینگ را به استخوان ساق پا و عضله ساق پا را به ساختار پا متصل می‌کنند. تاندون‌ها و عضلات به کاهش حرکات و جذب شوک‌ها، مشابه یک سیستم اسکلتی-عضلانی بیولوژیکی، کمک می‌کنند.
این تیم همچنین یک حسگر انعطاف‌پذیر چاپ سه‌بعدی اضافه کرد که به پا اجازه می‌دهد عضله خود را "حس" کند. این حسگر که مانند یک ساندویچ طراحی شده است، یک لایه رسانا از پلاستیک انعطاف‌پذیر بین دو لایه نارسانا قرار گرفته است. وقتی عضله مصنوعی حرکت می‌کند، حسگر نیز حرکت می‌کند. با کشیده شدن، مقاومت الکتریکی آن تغییر می‌کند و به ربات اجازه می‌دهد میزان انبساط یا انقباض عضله خود را حس کند.
پای حاصل جمع و جور و با باتری کار می‌کند. یک بار شارژ از یک باتری قابل حمل، انرژی کافی را برای خم کردن زانوی پا در عرض یک ساعت هزاران بار فراهم می‌کند. دستیابی به قابلیت‌های مشابه با سایر فناوری‌های محرک نرم، اگر نگوییم غیرعملی، دشوار خواهد بود.
تروبی گفت: «با مهندسی مواد جدید برای رباتیک با عملکرد و خواص سیستم‌های اسکلتی-عضلانی بیولوژیکی، می‌توانیم ربات‌هایی بسازیم که برای استفاده در دنیای واقعی مقاوم‌تر و قوی‌تر باشند. ما هیجان‌زده‌ایم که ببینیم چگونه این عضلات مصنوعی می‌توانند مسیر‌های جدیدی را برای ربات‌های انسان‌نما و حیوان‌مانند ایجاد کنند.»