Pronalazači i istraživači razvijaju robote skoro 70 godina. Do danas, sve mašine koje su napravili — bilo za fabrike ili negde drugde — imaju jednu zajedničku stvar: pokreću ih motori, tehnologija koja je već 200 godina stara. Čak i roboti koji hodaju imaju ruke i noge koje pokreću motori, a ne mišići kao kod ljudi i životinja. Ovo delimično sugeriše zašto im nedostaje mobilnost i prilagodljivost živih bića.
Nova robotska noga na mišićni pogon ne samo da je energetski efikasnija od konvencionalne, već može da izvodi visoke skokove i brze pokrete, kao i da detektuje i reaguje na prepreke — sve bez potrebe za složenim senzorima. Novu nogu razvili su istraživači sa ETH u Cirihu i Maks Plank institut za inteligentne sisteme (MPI-IS) u istraživačkom partnerstvu pod nazivom Mak Planck ETH centar za sisteme učenja, poznat kao CLS.
CLS tim su predvodili Robert Katzschmann iz ETH Cirih i Christoph Keplinger iz MPI-IS. Njihovi doktoranti Tomas Buhner i Tošihiko Fukušima su prvi autori publikacije tima o mišićno-skeletnoj robotskoj nozi inspirisanoj životinjama u Nature Communications.
Kao i kod ljudi i životinja, ekstenzor i mišić fleksora obezbeđuju da se robotska noga može kretati u oba smera. Ovi elektro-hidraulični aktuatori, koje istraživači nazivaju HASEL, pričvršćeni su za skelet tetivama.
Aktuatori su plastične kese punjene uljem, slične onima koje se koriste za pravljenje kockica leda. Otprilike polovina svake vrećice je obložena sa obe strane crnom elektrodom napravljenom od provodnog materijala.
Buhner objašnjava: „Čim primenimo napon na elektrode, one se privlače jedna drugoj zbog statičkog elektriciteta. Slično, kada trljam balon o glavu, moja kosa se lepi za balon zbog istog statičkog elektriciteta. “
Kako se povećava napon, elektrode se približavaju i potiskuju ulje u vrećici na jednu stranu, čineći vreću sveukupno kraćom.
Parovi ovih pokretača pričvršćenih za skelet dovode do istih uparenih pokreta mišića kao kod živih bića. Kako se jedan mišić skraćuje, njegov pandan se produžava. Istraživači su koristili kompjuterski kod koji komunicira sa visokonaponskim pojačavačima da kontrolišu koji aktuatori se skupljaju, a koji produžavaju.
Istraživači su uporedili energetsku efikasnost svoje robotske noge sa onom konvencionalne robotske noge koju pokreće električni motor. Između ostalog, analizirali su koliko se energije nepotrebno pretvara u toplotu.
„Na infracrvenoj slici, lako je videti da motorizovana noga troši mnogo više energije ako, recimo, mora da drži savijen položaj“, kaže Buhner.
Temperatura u elektro-hidrauličnoj nozi, nasuprot tome, ostaje ista. To je zato što je veštački mišić elektrostatički.
„To je kao primer sa balonom i kosom, gde kosa ostaje zalepljena za balon prilično dugo“, dodaje Buhner.
„Uobičajeno, robotima sa električnim motorom je potrebno upravljanje toplotom, što zahteva dodatne hladnjake ili ventilatore za difuziju toplote u vazduh. Naš sistem ih ne zahteva“, kaže Fukušima.
Sposobnost robotske noge da skače zasniva se na njenoj sposobnosti da eksplozivno podigne sopstvenu težinu. Istraživači su takođe pokazali da robotska noga ima visok stepen prilagodljivosti, što je posebno važno za meku robotiku. Samo ako mišićno-skeletni sistem ima dovoljnu elastičnost može se fleksibilno prilagoditi terenu o kojem je reč.
„Nije drugačije ni sa živim bićima. Ako ne možemo da savijemo kolena, na primer, hodanje po neravnoj površini postaje mnogo teže“, kaže Kačman. „Pomislite samo da se spustite sa trotoara na put.
Za razliku od elektromotora koji zahtevaju senzore da stalno pokazuju ugao robotske noge, veštački mišić se prilagođava pogodnom položaju kroz interakciju sa okolinom. Ovo se pokreće samo sa dva ulazna signala: jedan za savijanje zgloba i drugi za njegovo proširenje.
Fukušima objašnjava: „Prilagođavanje terenu je ključni aspekt. Kada osoba sleti nakon što skoči u vazduh, ne mora unapred da razmišlja da li treba da savije kolena pod uglom od 90 stepeni ili 70 stepeni. .“ Isti princip važi i za mišićno-skeletni sistem robotske noge; pri sletanju, zglob nogu se prilagodljivo pomera u odgovarajući ugao u zavisnosti od toga da li je podloga tvrda ili meka.
Oblast istraživanja elektrohidrauličnih aktuatora je još uvek mlada, a pojavila se pre oko šest godina.
„Oblast robotike brzo napreduje sa naprednim kontrolama i mašinskim učenjem; nasuprot tome, bilo je mnogo manjeg napretka sa robotskim hardverom, što je podjednako važno. Ova publikacija je snažan podsetnik koliko potencijala za razorne inovacije dolazi od uvođenja novi koncepti hardvera, kao što je upotreba veštačkih mišića“, kaže Keplinger.
Katzschmann dodaje da je malo verovatno da će se elektro-hidraulični aktuatori koristiti u teškim mašinama na gradilištima, ali oni nude specifične prednosti u odnosu na standardne elektromotore. Ovo je posebno vidljivo u aplikacijama kao što su hvataljke, gde pokreti moraju biti veoma prilagođeni u zavisnosti od toga da li je predmet koji se hvata, na primer, lopta, jaje ili paradajz.
Katzschmann ima jednu rezervu: „U poređenju sa hodajućim robotima sa električnim motorima, naš sistem je i dalje ograničen. Noga je trenutno pričvršćena za šipku, skače u krug i još se ne može slobodno kretati.“
Budući rad bi trebalo da prevaziđe ova ograničenja, otvarajući vrata razvoju pravih hodajućih robota sa veštačkim mišićima. On dalje elaborira: „Ako kombinujemo robotsku nogu sa četvoronožnim robotom ili humanoidnim robotom sa dve noge, možda ćemo jednog dana, kada se napaja baterijama, moći da ga upotrebimo kao robota za spasavanje.“
