Pehmeä robotiikka on robotiikan ala , joka on erikoistunut robottien rakentamiseen pehmeistä materiaaleista, jotka muistuttavat elävien organismien kudoksia. [yksi]
Monet pehmeän robotiikan ideat ovat lainattuja eläviltä organismeilta - kuinka ne liikkuvat ja sopeutuvat ympäristöönsä. Toisin kuin perinteiset jäykät robotit, pehmeät robotit lisäävät joustavuutta ja mukautumiskykyä tehtävien suorittamisessa sekä lisäävät turvallisuutta työskennellessäsi ihmisten lähellä. [2] Näiden ominaisuuksien ansiosta niitä voidaan mahdollisesti käyttää lääketieteen ja valmistuksen aloilla.
Pehmeä robotiikka rakentaa robotteja periaatteessa kokonaan pehmeistä materiaaleista, jolloin tuloksena on robotteja, jotka näyttävät selkärangattomilta, kuten matoilta tai mustekalailta. Tällaisten robottien liikkeen mallintaminen on vaikea tehtävä [1] , koska se vaatii jatkumomekaniikan menetelmien käyttöä ; siksi pehmeitä robotteja kutsutaan joskus jatkumorobotteiksi.
Biologisten ilmiöiden tutkimiseksi tiedemiehet luovat pehmeitä robotteja elävien organismien kuvaksi ja tekevät kokeita, joita on vaikea suorittaa oikeilla organismeilla.
On kuitenkin olemassa jäykkiä robotteja, jotka kykenevät myös jatkuvaan muodonmuutokseen, kuten käärmerobotti.
Pehmeitä rakenteita voidaan käyttää osana suurempaa jäykkää robottia. Pehmeillä robottitehosteilla esineisiin tarttumiseen ja käsittelyyn on se etu, että ne eivät riko särkyviä esineitä.
Voidaan rakentaa hybridi-pehmeä-jäykkiä robotteja, joissa on sisäinen jäykkä runko ja ulkoiset pehmeät elementit. Pehmeillä elementeillä voi olla monia toimintoja: sekä eläinten lihaksia muistuttavia toimintamekanismeja että pehmentävää materiaalia turvallisuuden varmistamiseksi törmäyksessä henkilön kanssa.
Pehmeitä robotteja voidaan toteuttaa lääketieteessä, erityisesti invasiivisessa kirurgiassa . Pehmeät robotit voivat auttaa operaatioissa: muotoaan muuttamalla tällainen robotti pääsee helposti liikkumaan ihmiskehon mutkikkaiden rakenteiden läpi. Tämä voidaan saavuttaa käyttämällä nestekäyttöä. [3]
Pehmeät robotit voivat toimia joustavina eksopukuina potilaiden kuntouttamiseen, vanhusten auttamiseen tai yksinkertaisesti lisäämään käyttäjän voimaa. Harvardin tiimi on luonut joustavan eksopuvun, joka voittaa jäykkien eksopukujen puutteet, jotka rajoittavat ihmisen luonnollista liikettä. [neljä]
Perinteisesti valmistusrobotit on eristetty ihmistyöntekijöistä turvallisuussyistä, koska jäykän robotin ja ihmisen välinen törmäys voi helposti johtaa loukkaantumiseen robotin nopean liikkeen vuoksi. Pehmeät robotit puolestaan voivat toimia turvallisesti yhdessä ihmisten kanssa, törmäyksen sattuessa robotin pehmeät materiaalit ehkäisevät tai minimoivat mahdolliset loukkaantumiset.
Pehmeää robotiikkaa voidaan käyttää biomimikriin valtamerten tai avaruustutkimuksessa. Maan ulkopuolista elämää etsiessään tutkijoiden on tiedettävä enemmän maan ulkopuolisista vesistöistä, koska vesi on elämän lähde maan päällä. Pehmeitä robotteja voidaan käyttää vesiolentoja simuloimaan. Cornell-ryhmä toteutti tällaisen projektin vuonna 2015 NASA Innovative Advanced Concepts (NIAC) -avustuksen alaisena. [5] Ryhmä pyrki simuloimaan hypoteettista olentoa, joka asuu jään peittämässä Europan valtameressä, Jupiterin kuussa, kehittämällä pehmeän robotin, joka jäljittelee nahkiaisen tai seepian liikettä vedessä . Erityisesti toisella planeetalla olevan vesistön tutkimiseen liittyy ainutlaatuisten mekaniikkaongelmien ratkaiseminen ja materiaalien etsiminen.
Pehmeitä robotteja, erityisesti sellaisia, jotka on suunniteltu jäljittelemään elämää, on usein kuormitettava syklisesti liikkuessaan tai suorittaessaan muita tehtäviä. Esimerkiksi edellä kuvatun nahkiaisen tai seepian kaltaisen robotin tapauksessa liike vaatisi veden elektrolyysiä ja kaasun sytytystä, mikä johtaisi nopeaan laajenemiseen ja ajaisi robottia eteenpäin. [5] Tämä toistuva ja räjähtävä laajeneminen ja supistuminen luo intensiivistä syklistä rasitusta valittuun polymeerimateriaaliin. Europan upotettua robottia olisi käytännössä mahdoton korjata tai vaihtaa, joten on valittava materiaali ja suunnittelu, joka minimoi väsymishalkeamien syntymisen ja leviämisen. Erityisesti tulee valita materiaali, jolla on väsymisraja tai jännitysamplituditaajuus, jonka yläpuolella polymeerin väsymiskäyttäytyminen ei ole enää taajuudesta riippuvainen. [6]
Koska pehmeät robotit on valmistettu pehmeistä materiaaleista, lämpötilavaikutukset on otettava huomioon. Materiaalin myötöraja pyrkii laskemaan lämpötilan myötä, ja polymeerimateriaaleissa tämä vaikutus on vieläkin selvempi. [6] Huone- ja korkeammissa lämpötiloissa monien polymeerien pitkät ketjut voivat venyä ja liukua toisiaan pitkin, mikä estää paikallisen jännityksen keskittymisen yhdelle alueelle ja tekee materiaalista sitkeän. [7] Mutta useimmat polymeerit käyvät läpi sitkeästä hauraaksi siirtymälämpötilan [8] , jonka alapuolella ei ole tarpeeksi lämpöenergiaa pitkien ketjujen reagoidakseen sellaisella sitkeällä tavalla, ja epäonnistuminen on paljon todennäköisempää. Polymeerimateriaalien taipumusta haurastua alhaisemmissa lämpötiloissa uskotaan olevan Challenger-katastrofin syy , ja se on otettava erittäin vakavasti, erityisesti lääketieteessä käyttöön otettavien pehmeiden robottien osalta. Muovautuvasta hauraaksi siirtymälämpötilan ei tarvitse olla "kylmä" ja se on itse asiassa itse materiaalin ominaisuus riippuen sen kiteisyydestä, iskulujuudesta, sivuryhmän koosta (polymeerien tapauksessa) ja muista tekijöistä. .