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Künstlicher Muskel

INGENIEURWISSENSCHAFTENKünstlicher Muskel

In einem großen Fortschritt in der Robotik wurden zum ersten Mal erfolgreich Roboter mit „weichen“ menschenähnlichen Muskeln entwickelt. Solche weichen Roboter können ein Segen sein, um in Zukunft menschenfreundliche Roboter zu entwickeln.

Roboter sind programmierbare Maschinen, die routinemäßig in industriellen Anwendungen eingesetzt werden, beispielsweise als Teil der Automatisierung, insbesondere der Fertigung, da sie für sich wiederholende Aufgaben ausgelegt sind, die viel Kraft und Kraft erfordern. Roboter interagieren mit der physischen Welt über Sensoren und Aktoren in ihnen und sie sind umprogrammierbar, was sie nützlicher und flexibler macht als routinemäßige Einzelfunktionsmaschinen. Aus der Art und Weise, wie diese Roboter für ihre Arbeit entwickelt wurden, ist offensichtlich, dass ihre Bewegungen extrem starr, manchmal ruckartig, maschinenähnlich und schwer, imposant sind und sie nicht nützlich sind, wenn eine bestimmte Aufgabe zu verschiedenen Zeiten unterschiedlich viel Kraft erfordert Punkte. Roboter sind auch manchmal gefährlich und benötigen möglicherweise sichere Gehäuse, da sie nicht empfindlich auf ihre Umgebung reagieren. Der Bereich Robotik erforscht eine Vielzahl von Disziplinen, um Robotermaschinen in verschiedenen Bereichen der Industrie und Medizintechnik mit unterschiedlichen Anforderungen zu entwerfen, zu bauen, zu programmieren und effizient einzusetzen.

In aktuellen Zwillingsstudien unter der Leitung von Christoph Keplinger haben Forscher Roboter mit einer neuen Muskelklasse ausgestattet, die unseren menschlichen Muskeln sehr ähnlich ist und wie wir Kraft und Sensibilität besitzt und projiziert. Die zentrale Idee besteht darin, der Maschine, dh Robotern, „natürlichere“ Bewegungen zu ermöglichen. 99.9 Prozent aller Roboter sind heute starre Maschinen aus Stahl oder Metall, während ein biologischer Körper weich ist, aber unglaubliche Fähigkeiten besitzt. Diese Roboter mit „weichen“ oder „echteren“ Muskeln können geeignet entworfen werden, um routinemäßige und heikle Aufgaben auszuführen (die menschliche Muskeln täglich ausführen), zum Beispiel nur eine weiche Frucht aufzuheben oder ein Ei in einen Korb zu legen. Im Vergleich zu herkömmlichen Robotern sind Roboter mit 'künstliche Muskeln“ werden wie eine „weichere“ Version ihrer selbst und sicherer und könnten dann so angepasst werden, dass sie fast jede Aufgabe in der Nähe von Menschen ausführen, was auf mehrere mögliche Anwendungen im Zusammenhang mit und um das menschliche Leben hindeutet. Soft-Roboter könnten als „kollaborative“ Roboter bezeichnet werden, da sie auf einzigartige Weise so konzipiert sind, dass sie eine bestimmte Aufgabe auf sehr ähnliche Weise wie ein Mensch ausführen.

Forscher haben versucht, Roboter mit weichen Muskeln zu entwickeln. Ein solcher Roboter benötigt ein weiches Muskel Technologie, um die menschlichen Muskeln zu imitieren, und zwei solcher Technologien wurden von Forschern ausprobiert – pneumatische Aktoren und dielektrische Elastomeraktoren. Der 'Aktuator' ist definiert als das eigentliche Gerät, das den Roboter bewegt oder der Roboter eine bestimmte Bewegung zeigt. Bei pneumatischen Aktuatoren wird ein weicher Beutel mit Gasen oder Flüssigkeiten gepumpt, um eine bestimmte Bewegung zu erzeugen. Dies ist ein einfaches Design, aber dennoch leistungsstark, obwohl die Pumpen unpraktisch sind und sperrige Reservoirs haben. Die zweite Technologie – dielektrische Elastomeraktoren verwenden das Konzept, ein elektrisches Feld über einen isolierenden flexiblen Kunststoff anzulegen, um diesen zu verformen und so eine Bewegung zu erzeugen. Diese beiden Technologien allein haben sich noch nicht durchgesetzt, denn wenn ein Stromstoß durch den Kunststoff dringt, versagen diese Geräte kläglich und sind somit nicht resistent gegen mechanische Beschädigungen.

Mehr „menschenähnliche“ Roboter mit ähnlichen Muskeln

In den Zwillingsstudien berichtet in Wissenschaft1 und Wissenschaften Robotik2, nutzten die Forscher die positiven Aspekte der beiden verfügbaren Weichmuskeltechnologien und entwickelten einen einfachen Weichmuskel-ähnlichen Aktuator, der Elektrizität verwendet, um die Bewegung von Flüssigkeiten in kleinen Beuteln zu verändern. Diese flexiblen Polymerbeutel enthalten eine Isolierflüssigkeit, beispielsweise ein normales Öl (Pflanzenöl oder Rapsöl) aus dem Supermarkt oder jede ähnliche Flüssigkeit. Sobald zwischen den Hydrogel-Elektroden zwischen den beiden Seiten des Beutels Spannung angelegt wurde, wurden die Seiten aneinander gezogen, es kommt zu einem Ölspasmus, der die Flüssigkeit darin zusammendrückt und im Inneren des Beutels herumfließt. Diese Spannung erzeugt eine künstliche Muskelkontraktion und sobald der Strom abgeschaltet wird, entspannt sich das Öl wieder und imitiert eine künstlich Muskelentspannung. Auf diese Weise verändert der Aktor seine Form und das mit dem Aktor verbundene Objekt zeigt eine Bewegung. Daher zieht sich dieser "künstliche Muskel" in Millisekunden auf die gleiche Weise und mit der gleichen Präzision und Kraft wie echte menschliche Skelettmuskeln sofort zusammen und entspannt sich (beugen). Diese Bewegungen können sogar die Geschwindigkeit der menschlichen Muskelreaktionen übertreffen, da menschliche Muskeln gleichzeitig mit dem Gehirn kommunizieren, was eine Verzögerung verursacht, wenn auch nicht wahrnehmbar. Daher wurde durch diese Konstruktion ein Fluidsystem erreicht, das eine direkte elektrische Steuerung hatte, die Vielseitigkeit und hohe Leistung aufwies.

In der ersten Studie1 in Wissenschaft, Aktuatoren wurden in Form eines Donuts entworfen und hatten die Fähigkeit und Geschicklichkeit, eine Himbeere durch einen Robotergreifer aufzunehmen und zu halten (und die Frucht nicht zu explodieren!). Der mögliche Schaden, der durch einen Stromschlag beim Durchgang durch die Isolierflüssigkeit verursacht wurde (ein großes Problem bei den zuvor entwickelten Antrieben), wurde auch in der aktuellen Konstruktion berücksichtigt und alle elektrischen Schäden wurden selbst repariert oder sofort durch nur neue repariert Flüssigkeitsfluss in den „beschädigten“ Teil durch einen einfachen Umverteilungsprozess. Dies wurde auf die Verwendung von flüssigem Material zurückgeführt, das widerstandsfähiger ist, anstelle einer festen Isolierschicht, die in vielen früheren Konstruktionen verwendet wurde und sofort beschädigt wurde. Dabei überlebte der künstliche Muskel mehr als eine Million Kontraktionszyklen. Dieser spezielle Aktuator, der die Form eines Donuts hat, war leicht in der Lage, eine Himbeere zu pflücken. In ähnlicher Weise haben die Forscher durch die Anpassung der Form dieser elastischen Beutel eine breite Palette von Aktoren mit einzigartigen Bewegungen geschaffen, die beispielsweise sogar ein zerbrechliches Ei mit Präzision und exakt benötigter Kraft aufnehmen. Diese flexiblen Muskeln wurden als „Hydraulisch-verstärkte selbstheilende elektrostatische“ Aktoren oder HASEL-Aktuatoren bezeichnet.In einer zweiten Studie2 veröffentlicht Wissenschaft RoboticsDasselbe Team entwickelte außerdem zwei weitere weiche Muskeldesigns, die sich linear zusammenziehen, sehr ähnlich einem menschlichen Bizeps, wodurch die Fähigkeit besteht, wiederholt Gegenstände zu heben, die schwerer als ihr eigenes Gewicht sind.

A Die allgemeine Meinung ist, dass Roboter, da sie Maschinen sind, sicherlich einen Vorteil gegenüber dem Menschen haben müssen, aber wenn es um die erstaunlichen Fähigkeiten geht, die uns unsere Muskeln bieten, könnte man einfach sagen, dass Roboter im Vergleich dazu verblassen. Der menschliche Muskel ist extrem leistungsfähig und unser Gehirn hat eine außerordentliche Kontrolle über unsere Muskeln. Dies ist der Grund, warum menschliche Muskeln in der Lage sind, komplizierte Aufgaben mit Präzision auszuführen, z. B. Schreiben. Unsere Muskeln ziehen sich bei schweren Aufgaben immer wieder zusammen und entspannen sich und es heißt, dass wir tatsächlich nur etwa 65 Prozent der Leistungsfähigkeit unserer Muskeln nutzen und diese Grenze hauptsächlich durch unser Denken gesetzt wird. Wenn wir uns einen Roboter mit menschenähnlichen, weichen Muskeln vorstellen können, wären die Kraft und die Fähigkeiten enorm. Diese Studien werden als erster Schritt gesehen, um einen Aktor zu entwickeln, der eines Tages die enormen Fähigkeiten echter biologischer Muskeln erreichen könnte.

Kostengünstige „weiche“ Robotik

Die Autoren sagen, dass Materialien wie die Polymerbeutel für Kartoffelchips, Öl und sogar Elektroden kostengünstig und leicht verfügbar sind, wobei die Kosten nur 0.9 USD (oder 10 Cent) betragen. Dies ist ermutigend für aktuelle industrielle Fertigungseinheiten und für Forscher, ihr Fachwissen zu erweitern. Die kostengünstigen Materialien sind skalierbar und kompatibel mit aktuellen Industriepraktiken, und solche Geräte könnten für eine Reihe von Anwendungen wie Prothesen oder als menschlicher Begleiter verwendet werden. Dies ist ein besonders interessanter Aspekt, da der Begriff Robotik immer mit hohen Kosten gleichgesetzt wird. Ein Nachteil eines solchen künstlichen Muskels ist der hohe Strombedarf für seinen Betrieb und es besteht auch die Gefahr von Verbrennungen, wenn der Roboter zu viel seiner Leistung reserviert. Soft-Roboter sind weitaus empfindlicher als ihre traditionellen Roboter-Pendants, was ihr Design anspruchsvoller macht, zum Beispiel die Möglichkeit des Einstechens, des Leistungsverlusts und des Verschüttens von Öl. Diese Soft-Roboter brauchen definitiv eine Art Selbstheilungs-Aspekt, wie es viele Soft-Roboter bereits tun.

Effiziente und robuste Softroboter können im menschlichen Leben sehr nützlich sein, da sie den Menschen ergänzen und mit ihm wie „kollaborative“ Roboter arbeiten können und nicht wie Roboter, die den Menschen ersetzen. Außerdem könnten herkömmliche Armprothesen weicher, angenehmer und sensibler sein. Diese Studien sind vielversprechend, und wenn der hohe Leistungsbedarf bewältigt werden könnte, hat er das Potenzial, die Zukunft von Robotern in Bezug auf ihr Design und ihre Bewegung zu revolutionieren.

***

{Sie können das ursprüngliche Forschungspapier lesen, indem Sie auf den unten angegebenen DOI-Link in der Liste der zitierten Quellen klicken}

Quelle (n)

1. Acomeet al. 2018. Hydraulisch verstärkte selbstheilende elektrostatische Aktoren mit muskelähnlicher Leistung. Wissenschaft. 359(6371). https://doi.org/10.1126/science.aao6139

2. Kellaris et al. 2018. Peano-HASEL-Aktuatoren: Muskelmimetische, elektrohydraulische Wandler, die sich bei Aktivierung linear zusammenziehen. Wissenschaft Robotics. 3(14). https://doi.org/10.1126/scirobotics.aar3276

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