로봇 공학의 주요 발전에서 인간과 같은 '부드러운' 근육을 가진 로봇이 처음으로 성공적으로 설계되었습니다. 이러한 소프트 로봇은 미래에 인간 친화적인 로봇을 설계하는 데 도움이 될 수 있습니다.
로봇은 많은 힘과 힘이 필요한 반복적인 작업에 능숙하도록 설계되었기 때문에 자동화, 특히 제조의 일부와 같은 산업 응용 분야에서 일상적으로 사용되는 프로그래밍 가능한 기계입니다. 로봇 센서와 액추에이터를 통해 물리적 세계와 상호 작용하며 재프로그래밍이 가능하므로 일상적인 단일 기능 기계보다 더 유용하고 유연합니다. 이러한 로봇이 작업을 수행하도록 설계된 방식으로 볼 때 로봇의 동작은 극도로 단단하고 때로는 불안정하며 기계와 유사하고 무겁고 인상적이며 특정 작업에 서로 다른 시간에 가변적인 양의 힘이 필요할 때 유용하지 않다는 것이 분명합니다. 포인트들. 로봇은 때때로 위험할 수도 있으며 주변 환경에 민감하지 않기 때문에 안전한 인클로저가 필요할 수도 있습니다. 로봇공학 분야는 다양한 요구 사항이 있는 다양한 산업 및 의료 기술 분야에서 로봇 기계를 설계, 제작, 프로그래밍하고 효율적으로 사용하기 위한 다양한 분야를 탐구하고 있습니다.
최근 크리스토프 케플링거(Christoph Keplinger)가 주도한 쌍둥이 연구에서 연구원들은 로봇에 인간의 근육과 매우 유사한 새로운 종류의 근육을 장착했으며 인간과 마찬가지로 힘과 민감성을 갖고 투사합니다. 핵심 아이디어는 더 많은 것을 제공하는 것입니다.자연스러운” 기계, 즉 로봇으로의 움직임입니다. 오늘날 모든 로봇의 99.9%는 강철이나 금속으로 만들어진 견고한 기계인 반면, 생물학적 몸체는 부드럽지만 놀라운 능력을 가지고 있습니다. '부드러운' 또는 '더 실제적인' 근육을 갖춘 이러한 로봇은 예를 들어 부드러운 과일을 집거나 바구니에 달걀을 넣는 것과 같이 일상적이고 섬세한 작업(인간의 근육이 매일 수행하는 작업)을 수행하도록 적절하게 설계될 수 있습니다. 기존 로봇에 비해 ''를 장착한 로봇은인공 근육'는 자신의 '더 부드러운' 버전과 같을 것이고 더 안전할 것이며 사람들과 가까운 곳에서 거의 모든 작업을 수행하도록 맞춤화될 수 있으며, 이는 인간의 삶과 관련된 여러 가지 가능한 응용 프로그램을 제안합니다. 소프트 로봇은 인간과 매우 유사한 방식으로 특정 작업을 수행하도록 고유하게 설계될 것이기 때문에 '협업' 로봇이라고 할 수 있습니다.
연구자들은 부드러운 근육 로봇을 만들기 위해 노력해 왔습니다. 그러한 로봇은 부드러운 근 인간의 근육을 가장하는 기술과 두 가지 기술인 공압 액추에이터와 유전체 엘라스토머 액추에이터가 연구자에 의해 시도되었습니다. '액추에이터'는 로봇을 움직이는 실제 장치나 로봇이 특정한 움직임을 보여주는 것으로 정의된다. 공압식 액추에이터에서 소프트 파우치는 특정 움직임을 생성하기 위해 가스 또는 유체로 펌핑됩니다. 이것은 단순한 디자인이지만 펌프가 비실용적이고 부피가 큰 저장소가 있지만 여전히 강력합니다. 두 번째 기술인 유전체 엘라스토머 액츄에이터는 절연성 유연성 플라스틱에 전기장을 가하여 변형시켜 움직임을 생성하는 개념을 사용합니다. 전기 볼트가 플라스틱을 통과할 때 이 장치가 비참하게 고장나서 기계적 손상에 저항하지 않기 때문에 이 두 기술 자체는 아직 성공적이지 못했습니다.
더 "사람의 비슷한 근육을 가진 로봇처럼
에 보고된 쌍둥이 연구에서 과학1 과 과학 로보틱스2, 연구원들은 사용 가능한 두 가지 연근 기술의 긍정적인 측면을 취하고 전기를 사용하여 작은 주머니 내부의 액체 움직임을 변경하는 간단한 연근과 같은 액추에이터를 만들었습니다. 이러한 유연한 폴리머 파우치에는 절연 액체가 들어 있으며, 예를 들어 슈퍼마켓에서 판매하는 일반 오일(식물성 오일 또는 카놀라유) 또는 유사한 액체를 사용할 수 있습니다. 파우치의 양면 사이에 위치한 하이드로겔 전극 사이에 전압을 가하면 양쪽이 서로 당겨지면서 오일 경련이 일어나 그 안의 액체를 짜내 파우치 내부를 흐르게 한다. 이 긴장은 인공적인 근육 수축을 만들고 전기가 차단되면 오일이 다시 이완되어 모방을 모방합니다. 인조의 근육 이완. 이와 같이 액츄에이터는 형태가 변하며, 액츄에이터에 연결된 물체는 움직임을 보인다. 따라서 이 '인공 근육'은 실제 인간의 골격 근육과 동일한 방식으로 동일한 정밀도와 힘으로 밀리초 단위로 즉시 수축 및 해제(굴곡)됩니다. 이러한 움직임은 인간의 근육 반응 속도를 능가할 수도 있습니다. 인간의 근육은 눈에 띄지 않지만 지연을 일으키는 뇌와 동시에 통신하기 때문입니다. 따라서 이 설계를 통해 다용도 및 고성능을 나타내는 직접적인 전기 제어를 갖는 유체 시스템이 달성되었습니다.
첫 번째 연구에서1 in 과학, 액츄에이터는 도넛 모양으로 설계되었으며 로봇 그리퍼를 통해 라즈베리를 집고 잡을 수 있는 능력과 손재주를 가지고 있었습니다(과일을 폭발시키지도 않음!). 절연 액체를 통과할 때 전기 볼트로 인해 발생할 수 있는 손상(이전에 설계된 액추에이터의 주요 문제)도 현재 설계에서 처리되었으며 모든 전기 손상은 자체 치유되거나 새로운 장치로 즉시 수리되었습니다. 재분배의 간단한 과정을 통해 '손상된' 부분으로 액체의 흐름. 이것은 이전의 많은 디자인에서 사용되었고 즉시 손상되는 고체 절연층 대신 보다 탄력적인 액체 재료를 사용했기 때문입니다. 이 과정에서 인공 근육은 백만 번 이상의 수축 주기를 견뎌냈습니다. 도넛 모양의 이 특정 액추에이터는 쉽게 라즈베리를 따를 수 있었습니다. 이와 유사하게, 연구원들은 이러한 탄성 파우치의 모양을 맞춤화하여 고유한 움직임을 가진 다양한 액추에이터를 만들었습니다. 예를 들어 정밀하고 정확한 필요한 힘으로 깨지기 쉬운 계란을 집는 경우도 있습니다. 이러한 유연한 근육을 "유압 증폭 자가 치유 정전기" 액추에이터 또는 HASEL 액추에이터라고 합니다. 두 번째 연구에서2 에 게시 과학 로봇, 같은 팀은 인간의 이두근과 매우 유사한 선형으로 수축하는 두 개의 다른 연부 근육 디자인을 추가로 만들었습니다.
A 로봇은 기계이기 때문에 인간보다 우위에 있어야 한다는 것이 일반적인 의견이지만, 근육이 주는 놀라운 능력에 관해서는 로봇에 비하면 창백하다고 할 수 있습니다. 인간의 근육은 매우 강력하며 뇌는 근육에 대한 엄청난 통제력을 가지고 있습니다. 이것이 인간의 근육이 쓰기와 같은 복잡한 작업을 정밀하게 수행할 수 있는 이유입니다. 우리의 근육은 무거운 일을 할 때 수축과 이완을 반복하는데 실제로 우리는 근육의 65% 정도만 사용한다고 하는데 이 한계는 주로 생각에 의해 결정됩니다. 인간과 같은 부드러운 근육을 가진 로봇을 상상할 수 있다면 그 힘과 능력은 엄청날 것입니다. 이러한 연구는 언젠가는 실제 생물학적 근육의 엄청난 능력을 달성할 수 있는 액추에이터를 개발하기 위한 첫 번째 단계로 간주됩니다.
비용 효율적인 '소프트' 로보틱스
저자들은 감자칩 폴리머 파우치, 오일, 심지어 전극과 같은 재료가 저렴하고 쉽게 구할 수 있으며 비용은 0.9 USD(또는 10센트)에 불과하다고 말합니다. 이는 현재의 산업 제조 단위와 연구원이 전문 지식을 더욱 발전시키는 데 고무적입니다. 저비용 재료는 확장 가능하고 현재 산업 관행과 호환되며 이러한 장치는 보철 장치와 같은 다양한 응용 분야에 사용되거나 인간의 동반자로 사용될 수 있습니다. 로봇 공학이라는 용어는 항상 높은 비용과 동일시되기 때문에 이것은 특히 흥미로운 측면입니다. 이러한 인공 근육과 관련된 단점은 작동에 많은 양의 전기가 필요하고 로봇이 너무 많은 전력을 비축할 경우 화상을 입을 가능성이 있다는 것입니다. 소프트 로봇은 기존 로봇보다 훨씬 더 섬세하여 구멍이 뚫리거나 전원이 꺼지거나 기름이 샐 가능성과 같이 설계가 더 까다로워집니다. 이 소프트 로봇은 이미 많은 소프트 로봇이 그렇듯이 일종의 자가 치유 측면이 필요합니다.
효율적이고 견고한 소프트 로봇은 인간을 대체하는 로봇이 아닌 "협동" 로봇처럼 인간을 보완하고 함께 일할 수 있기 때문에 인간의 삶에 매우 유용할 수 있습니다. 또한 전통적인 의수는 더 부드럽고 쾌적하며 민감할 수 있습니다. 이러한 연구는 유망하며 높은 전력 수요가 해결될 수 있다면 설계 및 이동 방식 측면에서 로봇의 미래에 혁명을 일으킬 잠재력이 있습니다.
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출처
1. Acome et al. 2018. 근육과 같은 성능을 지닌 유압 증폭 자가 치유 정전 액추에이터. 과학. 359(6371). https://doi.org/10.1126/science.aao6139
2. Kellaris et al. 2018. Peano-HASEL 액추에이터: 활성화 시 선형으로 수축하는 근육 모방, 전기 유압 변환기. 과학 로봇. 3(14). https://doi.org/10.1126/scirobotics.aar3276
