Τεχνητοί μύες – ελαφρύτεροι, ασφαλέστεροι, πιο ανθεκτικοί | ETH Zurich

Ερευνητές στο ETH Zurich ανέπτυξαν πρόσφατα τεχνητούς μύες για την κίνηση ενός ρομπότ. Η λύση προσφέρει πολλά πλεονεκτήματα σε σχέση με προηγούμενες τεχνολογίες: μπορεί να χρησιμοποιηθεί όπου τα ρομπότ πρέπει να είναι μαλακά και όχι άκαμπτα ή όπου χρειάζονται περισσότερη ευαισθησία όταν αλληλεπιδρούν με το περιβάλλον τους.

Τεχνητοί μύες σε δράση κάτω από το νερό. (Φωτογραφία: Στιγμιότυπο από βίντεο από τους Gravert et al. Science Advances 2024)

Εν συντομία

  • Ερευνητές στο ETH Zurich ανέπτυξαν τεχνητούς μύες που είναι ελαφρύτεροι, ασφαλέστεροι και πιο ανθεκτικοί από τους προκατόχους τους.
  • Οι νέοι ενεργοποιητές έχουν έναν νέο τύπο δομής κελύφους και χρησιμοποιούν ένα σιδηροηλεκτρικό υλικό υψηλής διαπερατότητας που μπορεί να αποθηκεύσει σχετικά μεγάλες ποσότητες ηλεκτρικής ενέργειας.
  • Επομένως λειτουργούν με σχετικά χαμηλή ηλεκτρική τάση, είναι αδιάβροχα, πιο στιβαρά και πιο ασφαλή στην αφή.

Πολλοί ρομποτικοί ονειρεύονται να κατασκευάσουν ρομπότ που δεν είναι απλώς ένας συνδυασμός μετάλλων ή άλλων σκληρών υλικών και κινητήρων, αλλά και πιο μαλακά και πιο προσαρμόσιμα. Τα μαλακά ρομπότ θα μπορούσαν να αλληλεπιδράσουν με το περιβάλλον τους με εντελώς διαφορετικό τρόπο. Για παράδειγμα, θα μπορούσαν να μετριάσουν τις κρούσεις με τον τρόπο που κάνουν τα ανθρώπινα άκρα ή να πιάσουν ένα αντικείμενο με λεπτότητα. Αυτό θα πρόσφερε επίσης οφέλη σχετικά με την κατανάλωση ενέργειας: η κίνηση του ρομπότ σήμερα απαιτεί συνήθως πολλή ενέργεια για να διατηρήσει μια θέση, ενώ τα μαλακά συστήματα θα μπορούσαν επίσης να αποθηκεύσουν ενέργεια καλά. Λοιπόν, τι θα μπορούσε να είναι πιο προφανές από το να πάρουμε τον ανθρώπινο μυ ως πρότυπο και να προσπαθήσουμε να τον αναδημιουργήσουμε;

Η λειτουργία των τεχνητών μυών βασίζεται λοιπόν στη βιολογία. Όπως και οι φυσικοί τους αντίστοιχοι, οι τεχνητοί μύες συστέλλονται ως απόκριση σε μια ηλεκτρική ώθηση. Ωστόσο, οι τεχνητοί μύες δεν αποτελούνται από κύτταρα και ίνες αλλά από μια θήκη γεμάτη με ένα υγρό (συνήθως λάδι), το κέλυφος του οποίου καλύπτεται εν μέρει με ηλεκτρόδια. Όταν αυτά τα ηλεκτρόδια δέχονται ηλεκτρική τάση, τραβούν μαζί και σπρώχνουν το υγρό στην υπόλοιπη θήκη, η οποία κάμπτεται και είναι έτσι ικανή να σηκώσει ένα βάρος. Ένας μεμονωμένος σάκος είναι ανάλογος με μια μικρή δέσμη μυϊκών ινών. Πολλά από αυτά μπορούν να συνδεθούν για να σχηματίσουν ένα πλήρες στοιχείο πρόωσης, το οποίο αναφέρεται επίσης ως ενεργοποιητής ή απλώς ως τεχνητός μυς.

Πολύ υψηλή τάση

Η ιδέα της ανάπτυξης τεχνητών μυών δεν είναι νέα, αλλά μέχρι τώρα υπήρχε ένα σημαντικό εμπόδιο στην πραγματοποίησή της: οι ηλεκτροστατικοί ενεργοποιητές δούλευαν μόνο με εξαιρετικά υψηλές τάσεις περίπου 6.000 έως 10.000 βολτ. Αυτή η απαίτηση είχε πολλές προεκτάσεις: για παράδειγμα, οι μύες έπρεπε να συνδεθούν με μεγάλους ενισχυτές βαριάς τάσης. Δεν δούλευαν στο νερό και δεν ήταν απολύτως ασφαλή για τους ανθρώπους. Μια νέα λύση έχει πλέον αναπτυχθεί από τον Robert Katzschmann, καθηγητή ρομποτικής στο ETH Ζυρίχης, μαζί με τους Stephan-​Daniel Gravert, Elia Varini και άλλους συναδέλφους. Δημοσίευσαν την εκδοχή τους για έναν τεχνητό μυ που προσφέρει πολλά πλεονεκτήματα στο Science Advances.

Το διάγραμμα δείχνει πώς λειτουργεί ο τεχνητός μυς και πώς είναι δομημένο το νέο κέλυφος. (Γραφικό: Gravert et al. Science Advances 2024 / ETH Zurich)

Ο Gravert, ο οποίος εργάζεται ως επιστημονικός βοηθός στο εργαστήριο του Katzschmann, έχει σχεδιάσει ένα κέλυφος για τη θήκη. Οι ερευνητές αποκαλούν τους νέους τεχνητούς μύες HALVE ενεργοποιητές, όπου το HALVE σημαίνει “hydraulically amplified low-​voltage electrostatic”. «Σε άλλους ενεργοποιητές, τα ηλεκτρόδια βρίσκονται στο εξωτερικό του κελύφους. Στο δικό μας, το κέλυφος αποτελείται από διαφορετικά στρώματα. Πήραμε ένα σιδηροηλεκτρικό υλικό υψηλής διαπερατότητας, δηλαδή ένα που μπορεί να αποθηκεύσει σχετικά μεγάλες ποσότητες ηλεκτρικής ενέργειας, και το συνδυάσαμε με ένα στρώμα ηλεκτροδίων. Στη συνέχεια, το επικαλύψαμε με ένα πολυμερές κέλυφος που έχει εξαιρετικές μηχανικές ιδιότητες και κάνει τη θήκη πιο σταθερή», εξηγεί ο Gravert. Αυτό σήμαινε ότι οι ερευνητές θα μπορούσαν να μειώσουν την απαιτούμενη τάση, επειδή η πολύ υψηλότερη διαπερατότητα του σιδηροηλεκτρικού υλικού επιτρέπει μεγάλες δυνάμεις παρά τη χαμηλή τάση. Όχι μόνο ο Gravert και ο Varini ανέπτυξαν μαζί το κέλυφος για τους ενεργοποιητές HALVE, αλλά κατασκεύασαν και τους ίδιους τους ενεργοποιητές στο εργαστήριο για να τους χρησιμοποιήσουν σε δύο ρομπότ.

Οι λαβές και τα ψάρια δείχνουν τι μπορεί να κάνει ο μυς

Ένα από αυτά τα ρομποτικά παραδείγματα είναι μια λαβή ύψους 11 εκατοστών με δύο δάχτυλα. Κάθε δάχτυλο μετακινείται από τρεις συνδεδεμένες σε σειρά θήκες του ενεργοποιητή HALVE. Ένα μικρό τροφοδοτικό που λειτουργεί με μπαταρία παρέχει στο ρομπότ 900 βολτ. Μαζί, η μπαταρία και το τροφοδοτικό ζυγίζουν μόλις 15 γραμμάρια. Ολόκληρη η λαβή, συμπεριλαμβανομένων των ηλεκτρονικών εξαρτημάτων ισχύος και ελέγχου, ζυγίζει 45 γραμμάρια. Η λαβή μπορεί να πιάσει ένα λείο πλαστικό αντικείμενο αρκετά σταθερά ώστε να υποστηρίζει το βάρος του όταν το αντικείμενο σηκώνεται στον αέρα με ένα κορδόνι. «Αυτό το παράδειγμα δείχνει άριστα πόσο μικροί, ελαφροί και αποδοτικοί είναι οι ενεργοποιητές HALVE. Σημαίνει επίσης ότι έχουμε κάνει ένα τεράστιο βήμα πιο κοντά στον στόχο μας να δημιουργήσουμε ολοκληρωμένα συστήματα που λειτουργούν με μυϊκά συστήματα», λέει ο Katzschmann με ικανοποίηση.

Το δεύτερο αντικείμενο είναι ένας κολυμβητής σαν ψάρι, μήκους σχεδόν 30 εκατοστών, που μπορεί να κινηθεί ομαλά μέσα στο νερό. Αποτελείται από μια “κεφαλή” που περιέχει τα ηλεκτρονικά και ένα εύκαμπτο “σώμα” στο οποίο είναι συνδεδεμένοι οι ενεργοποιητές HALVE. Αυτοί οι ενεργοποιητές κινούνται εναλλάξ σε έναν ρυθμό που παράγει την κίνηση κολύμβησης. Το αυτόνομο ψάρι μπορεί να φτάσει από στάση σε ταχύτητα τριών εκατοστών το δευτερόλεπτο σε 14 δευτερόλεπτα – και αυτό είναι σε κανονικό νερό βρύσης.

Αδιάβροχο και αυτοσφραγιζόμενο

Αυτό το δεύτερο παράδειγμα είναι σημαντικό γιατί δείχνει ένα άλλο νέο χαρακτηριστικό των ενεργοποιητών HALVE: καθώς τα ηλεκτρόδια δεν βρίσκονται πλέον απροστάτευτα έξω από το κέλυφος, οι τεχνητοί μύες είναι πλέον αδιάβροχοι και μπορούν επίσης να χρησιμοποιηθούν σε αγώγιμα υγρά. «Το ψάρι απεικονίζει ένα γενικό πλεονέκτημα αυτών των ενεργοποιητών – τα ηλεκτρόδια προστατεύονται από το περιβάλλον και, αντίθετα, το περιβάλλον προστατεύεται από τα ηλεκτρόδια. Έτσι, μπορείτε να λειτουργήσετε αυτούς τους ηλεκτροστατικούς ενεργοποιητές στο νερό ή να τους αγγίξετε, για παράδειγμα», εξηγεί ο Katzschmann. Και η πολυεπίπεδη δομή των θηκών έχει ένα άλλο πλεονέκτημα: οι νέοι ενεργοποιητές είναι πολύ πιο ανθεκτικοί από άλλους τεχνητούς μύες.

Στην ιδανική περίπτωση, οι θήκες θα πρέπει να μπορούν να επιτύχουν μεγάλη κίνηση και να το κάνουν γρήγορα. Ωστόσο, ακόμη και το μικρότερο σφάλμα παραγωγής, όπως ένα κομμάτι σκόνης μεταξύ των ηλεκτροδίων, μπορεί να οδηγήσει σε ηλεκτρική βλάβη – ένα είδος μίνι κεραυνού. «Όταν αυτό συνέβαινε σε προηγούμενα μοντέλα, το ηλεκτρόδιο θα έκαιγε, δημιουργώντας μια τρύπα στο κέλυφος. Αυτό επέτρεψε στο υγρό να διαφύγει και κατέστησε τον ενεργοποιητή άχρηστο», λέει ο Gravert. Αυτό το πρόβλημα επιλύεται στους ενεργοποιητές HALVE επειδή μια μόνο οπή ουσιαστικά κλείνει μόνη της λόγω του προστατευτικού πλαστικού εξωτερικού στρώματος. Ως αποτέλεσμα, η θήκη παραμένει συνήθως πλήρως λειτουργική ακόμα και μετά από ηλεκτρική βλάβη.

Ο νέος ενεργοποιητής HALVE εξακολουθούσε να λειτουργεί πλήρως, ακόμη και με περισσότερες από 30 οπές. (Φωτογραφία: Gravert et al. Science Advances 2024)

Οι δύο ερευνητές είναι σαφώς χαρούμενοι που έκαναν την ανάπτυξη των τεχνητών μυών ένα αποφασιστικό βήμα προς τα εμπρός, αλλά είναι επίσης ρεαλιστές. Όπως λέει ο Katzschmann, «Τώρα πρέπει να προετοιμάσουμε αυτήν την τεχνολογία για παραγωγή μεγαλύτερης κλίμακας και δεν μπορούμε να το κάνουμε αυτό εδώ στο εργαστήριο ETH. Χωρίς να αποκαλύπτω πολλά, μπορώ να πω ότι ήδη καταγράφουμε ενδιαφέρον από εταιρείες που θα ήθελαν να συνεργαστούν μαζί μας.» Για παράδειγμα, οι τεχνητοί μύες θα μπορούσαν μια μέρα να χρησιμοποιηθούν σε νέα ρομπότ, προσθετικά ή φορητές συσκευές. Με άλλα λόγια σε τεχνολογίες που φοριούνται στο ανθρώπινο σώμα.

Aναδημοσίευση άρθρου της Franziska Schmid 30.01.2024 στο ETH News. Link to original article >

Πηγή: Gravert SD, Varini E, Kazemipour A, Michelis MY, Buchner T, Hinchet R, Katzschmann RK: Low-​voltage electrohydraulic actuators for untethered robotics. Science Advances, 5. Januar 2024, doi: external page10.1126/sciadv.adi9319call_made

Κάντε κύλιση στην κορυφή