Son yıllarda, malzeme biliminin ilerlemesi nedeniyle, yumuşak robotlarla ilgili araştırma sonuçları son yıllarda dikkat çekici olmuştur. Geleneksel sert robotlarla karşılaştırıldığında, yumuşak robotların tasarımı solucanlar, ahtapotlar, gekolar ve kurbağalar gibi doğadaki biyolojik sistemlerden esinlenmiştir. bekleyin. Bu yaratıklar, karmaşık ortamlarda dikkat çekici hareket kabiliyeti göstermek için yumuşak, esnek malzemeler kullanırlar. Ancak, pratik uygulamalarda, yumuşak robotlar harici güce veya sürüş gücüne güvenir ve fiziksel bağlarla bağlanır, bu da sınırlı bir aktivite aralığına neden olur. Ayrıca, pnömatik ağ aktüatörleri (pneu-nets) gibi geleneksel yumuşak aktüatörlerin ağırlığı da yumuşak robotların sınırsız çalışmasını kısıtlayan önemli bir faktör haline gelmiştir.

Bu sorunu çözmek için Singapur Teknoloji ve Tasarım Üniversitesi'nden (SUTD) Profesör MICHINAO HASHIMOTO ve işbirlikçileri tarafından geliştirilen FiBa (film balonu) yumuşak aktüatörü, yumuşak robotlar alanında yeni atılımlar getirdi.

Araştırma sonuçları 17 Temmuz 2024'te Science Robotics dergisinde "FiBa yumuşak robotlarının emeklemesi, tırmanması, tünemesi ve uçması" başlığıyla yayımlandı.

FiBa yumuşak aktüatör, yanal eğriliğe sahip Dragon Skin 30 silikon ve polimer film ile tasarlanmıştır

FiBa yumuşak aktüatör, 3D baskılı pnömatik bir balonu yanal eğriliğe sahip bir polimer filmle birleştiren benzersiz bir yapısal tasarıma sahiptir. Bu tasarımın avantajı, aktüatörün ağırlığını etkili bir şekilde azaltırken çok işlevli özelliklerini koruyabilmesi ve böylece serbest çalışma elde edebilmesidir.

Geleneksel silikon kauçuk malzemelerle karşılaştırıldığında, FiBa aktüatörleri çok fazla ağırlık eklemeden daha güçlü sürüş kabiliyetleri sağlayabilen daha yüksek elastik modüle (yaklaşık 593 kPa) sahip Dragon Skin 30 silikon kullanır. Yüksek elastik modül, aynı hacim altında Dragon Skin 30 silikonunun daha fazla iç basınç üretebileceği ve böylece aktüatörün bükülme ve sürüş etkilerini artırabileceği anlamına gelir.

FiBa aktüatörünün bir diğer önemli bileşeni, yanal eğriliğe sahip bir polimer filmdir. Bu film malzemesi yalnızca hafif olmakla kalmaz, aynı zamanda iyi bir esnekliğe ve plastisiteye sahiptir. Yanal eğrilik tasarımının tanıtılmasıyla, filmin yerel sertliği artırılır, şişirildiğinde yönlü bükülmeye olanak tanır ve söndürüldükten sonra hızla orijinal şekline geri döner. Araştırmacılar, yanal eğriliğin tasarlanmasıyla polimer filmin bükülme özelliklerinin önemli ölçüde iyileştirildiğini ve böylece aktüatörün genel performansını ve güvenilirliğini artırdığını söyledi.

Geleneksel düz film malzemelerinin dış kuvvetlere maruz kaldığında düzensiz bükülme ve eğilmeye eğilimli olduğunu belirtmekte fayda var. Yanal eğrilik tasarımının tanıtılmasıyla, filmin bükülme özellikleri yönsel olarak iyileştirilir. Balon şişirildiğinde, film önceden ayarlanmış eğrilik yönü boyunca bükülür ve böylece kararlı bir itici güç üretir. Bu yönsel bükülme özelliği, aktüatörün kontrol doğruluğunu iyileştirmekle kalmaz, aynı zamanda hizmet ömrünü de uzatır.

Yanal eğrilik tasarımı ayrıca aktüatörün yapısal güvenilirliğini ve dayanıklılığını iyileştirmeye yardımcı olur. Söndürme işlemi sırasında film, uzun vadeli deformasyondan kaynaklanan performans düşüşünü ve yapısal hasarı önleyerek hızla orijinal şekline dönebilir. Ayrıca, eğrilik parametreleri ve film kalınlığı optimize edilerek, aktüatörün bükülme açısı ve tahrik kuvveti farklı uygulama senaryolarının ihtiyaçlarını karşılamak üzere daha da ayarlanabilir.

Tasarım açısından FiBa aktüatörü, FiBa bükme modülü ve FiBa değişken sertlik kiriş modülü dahil olmak üzere modüler bir tasarım yaklaşımı benimser. Araştırmacılar, modüler tasarım sayesinde aktüatörün prototipini hızla oluşturabilir ve yinelemeli optimizasyon gerçekleştirebilir. Farklı uygulama senaryolarının ihtiyaçlarını karşılamak için farklı modüller çeşitli şekil ve işlevlere sahip aktüatörlere birleştirilebilir. Bu hızlı prototipleme yeteneği yalnızca ürün geliştirme döngüsünü hızlandırmakla kalmaz, aynı zamanda maliyet risklerini de azaltır.

FiBa aktüatörünün modüler yapısı da oldukça özelleştirilebilir. Araştırmacılar, modüllerin sayısını, düzenlemesini ve boyut parametrelerini ayarlayarak aktüatörü farklı ortamlara ve görevlere uyum sağlayacak şekilde özelleştirebilir. Örneğin, bir tırmanma robotunda, kavrama modüllerinin ve bükme modüllerinin sayısı ve düzeni artırılarak robotun tırmanma yeteneği ve kararlılığı iyileştirilebilir.

Sınırsız bir çalışma elde etmek için FiBa aktüatörü ayrıca pnömatik pompalar, vanalar, piller ve kontrol panoları gibi elektronik bileşenleri de entegre eder. Araştırmacılar elektronik bileşenleri seçerken hafifliklerine ve yüksek verimliliklerine odaklanırlar. Örneğin, mikro pnömatik pompaların ve vanaların kullanımı sistemin genel ağırlığını azaltabilir ve yüksek performanslı pillerin ve kontrol panolarının kullanımı sistemin enerji verimliliğini ve kararlılığını iyileştirebilir. Hafif elektronik bileşenler, FiBa aktüatörünün kısıtlanmamış bir ortamda uzun süre kararlı bir şekilde çalışmasını sağlar.

Entegrasyon açısından araştırmacılar, elektronik bileşenlerin yerleşimini ve bağlantısını optimize ederek sinyal girişimini ve enerji kaybını azaltıyor ve yedekli tasarım ve hata teşhis fonksiyonları ekleyerek sistemin güvenilirliğini ve emniyetini artırıyor.

▍FiBa yumuşak robotlarının dört biçimi ve iniş senaryoları üzerine tartışma

FiBa aktüatörlerinin performansını ve çok yönlülüğünü doğrulamak için araştırma ekibi, kaplumbağalardan esinlenerek emekleme, inç kurtlarından esinlenerek tırmanma, yarasalardan esinlenerek tüneme ve uğur böceklerinden esinlenerek uçma olmak üzere dört adet serbest biyonik hareket modunu başarıyla gösterdi.

Kaplumbağadan esinlenen sürünen robot, kaplumbağanın ön ayaklarını simüle etmek için dört FiBa bükme modülünü "yüzgeçler" olarak kullanır ve kaplumbağanın karadaki hareketini simüle ederek robotu ileriye doğru iter. Bu modüller, hafif ve etkili bükme hareketleri elde etmek için enine eğimli polimer filmler aracılığıyla 3D yazdırılmış pnömatik balonlarla birleştirilir. Robot ayrıca, farklı arazi koşullarına uyum sağlamak için gerektiğinde gövde yüksekliğini ayarlamak üzere bir kaldırma aktüatör modülü ile donatılmıştır.

Uygulama senaryoları açısından, deprem ve tsunami gibi doğal afetlerden sonra, geleneksel sert robotların girmesinin zor olduğu harabelerde genellikle çok sayıda dar boşluk olur. Ancak, bu sürünen robot bu boşluklardan kolayca geçebilir, yaşam dedektörleri gibi ekipmanları taşıyabilir, sıkışmış insanları arayabilir ve kablosuz iletişim yoluyla gerçek zamanlı olarak sahadaki durumu kurtarıcılara iletebilir, bu da kurtarma verimliliğini büyük ölçüde artırır.

İnç solucanından esinlenen tırmanma robotu, inç solucanının sürünme hareketini simüle ederek dikey tırmanma elde etmek için FiBa bükme modülünü ve kavrama modülünü kullanır. Kavrama modülü, yeterli desteği sağlamak için şişirilmiş bir silikon balon aracılığıyla tırmanma yüzeyinin etrafına sıkıca sarılır. Aynı zamanda, FiBa bükme modülü robotu sabit tırmanma elde etmek için tırmanma yüzeyi boyunca hareket etmeye yönlendirir.

Endüstriyel alanda, bu tırmanma robotu, yüksek katlı binaların dikey boru hatları, köprüleri ve dış duvarlarının denetimi ve bakımı için kullanılabilir. Robot, yapının yüzeyinin ayrıntılı denetimlerini gerçekleştirmek, potansiyel güvenlik tehlikelerini derhal tespit etmek ve manuel denetimlerin risklerini ve maliyetlerini azaltmak için yüksek çözünürlüklü kameralar, kızılötesi termal görüntüleyiciler ve diğer ekipmanlarla donatılmıştır. Bu tırmanma robotu ayrıca elektrik hatları ve iletişim kuleleri gibi altyapı denetimlerinde de iyi performans gösterir. Hat izolatörlerini, kule gövde konnektörlerini vb. denetlemek için elektrik direkleri veya iletişim kuleleri boyunca hızla yükselebilir, bu da denetim verimliliğini ve doğruluğunu artırır.

Yarasa esintili tüneyen robot, yarasaların dallarda baş aşağı tüneme şeklini simüle eden hafif dört parmaklı bir tutucu oluşturmak için FiBa modüllerini kullanır. Tutucunun içindeki pnömatik yapı, şişirildikten sonra güçlü bir kavrama kuvveti oluşturarak robotun dallar ve direkler gibi destekler üzerinde sabit bir şekilde tünemesini sağlar.

Uygulama açısından, bu tüneyen robotu bir drone'a kurmak, drone'un uçuş süresini önemli ölçüde uzatabilir. Görev sırasında drone, enerji tasarrufu yapmak ve görev devam ettiğinde tekrar havalanmak için bir destek üzerine tüneyebilir, böylece enerji maliyetlerini düşürebilir ve uygulama alanını genişletebilir. Jeolojik keşif ve ormancılık araştırmaları gibi saha operasyonlarında, tüneyen robot geçici bir destek platformu olarak kullanılabilir. Görevi tamamladıktan sonra drone, şarj etmek veya daha fazla talimat beklemek için yakınlarda tüneyebilir, bu da operasyonel verimliliği ve güvenliği artırır.

Uğur böceğinden esinlenen uçan robot, kanadın ana yapısal bileşenleri olarak FiBa değişken sertlik kiriş modüllerini kullanır. Bu modüller şişirildiğinde uçuşu desteklemek için yeterli sertlik ve güç üretir ve kolay taşıma ve depolama için şişirilmemiş halde kolayca katlanabilir ve sarılabilir. Robot ayrıca otonom uçuş ve tutum ayarlaması elde etmek için bir itme cihazı ve bir kontrol sistemi ile donatılmıştır. Doğal afetler gibi acil durumlarda, bu uçan robot afet bölgesine yiyecek ve ilaç gibi acil ihtiyaç duyulan malzemeleri hızlı ve doğru bir şekilde ulaştırabilir. Katlanabilir kanat tasarımı, robotun nakliye sırasında küçük bir alanı kaplamasını sağlayarak büyük ölçekli konuşlandırmayı kolaylaştırır; otonom uçuş kabiliyeti ise malzeme teslimatının doğruluğunu ve zamanında olmasını sağlar. Çevresel izleme alanında, uçan robot hava kalitesi, su kalitesi vb. hakkında kapsamlı izleme ve veri toplama yapmak için çeşitli sensörler ve ekipmanlar taşıyabilir. Esnek uçuş kabiliyeti ve geniş izleme aralığı, robotun geniş alanları hızla kaplamasını ve doğru veri desteği sağlamasını sağlar. Ayrıca, zararlı ve hastalık izleme ve ürün büyüme durumu değerlendirmesi için tarım alanında da kullanılabilir.

▍Sonuç ve gelecek

FiBa yumuşak aktüatörlerinin ortaya çıkışı, yumuşak robotik teknolojisinde büyük bir atılımı işaret ediyor. Hafif malzemelerin seçimi ve modüler tasarımın uygulanmasıyla FiBa aktüatörü hafif ve çok işlevli özelliklere sahip. Bu tasarım yalnızca geleneksel yumuşak robotların ağırlık sorununu çözmekle kalmıyor, aynı zamanda pratik senaryolarda son derece yüksek genellemeye sahip. Gelecekte araştırmacılar, performansını ve güvenilirliğini iyileştirmek için FiBa aktüatörünün tasarımını ve teknik çözümlerini optimize etmeye devam edecekler. Ayrıca, akıllı kontrol ve otonom navigasyon teknolojisinin geliştirilmesiyle FiBa yumuşak robotunun gelecekte daha akıllı bir şekilde performans göstermesi bekleniyor.