Mjuk robotik är en gren inom robotik som är specialiserad på konstruktion av robotar av mjuka material, liknande vävnader i levande organismer. [ett]
Många av idéerna med mjuk robotik är lånade från levande organismer – hur de rör sig och anpassar sig till sin miljö. Till skillnad från traditionella stela robotar ger mjuka robotar ökad flexibilitet och anpassningsförmåga vid utförandet av uppgifter, samt ökad säkerhet vid arbete nära människor. [2] Dessa egenskaper gör att de potentiellt kan användas inom medicin och tillverkning.
Mjuk robotik konstruerar i princip robotar helt av mjuka material, vilket resulterar i robotar som ser ut som ryggradslösa djur som maskar eller bläckfiskar. Att modellera rörelsen hos sådana robotar är en svår uppgift, [1] eftersom det kräver användning av metoder för kontinuummekanik ; därför kallas mjuka robotar ibland för kontinuumrobotar.
För att studera biologiska fenomen skapar forskare mjuka robotar i bilden av levande organismer och genomför experiment som är svåra att utföra på verkliga organismer.
Det finns dock stela robotar som också klarar av kontinuerlig deformation, till exempel ormroboten.
Mjuka strukturer kan användas som en del av en större stel robot. Mjuka roboteffektorer för att gripa och manipulera föremål har fördelen att de inte går sönder ömtåliga föremål.
Hybrid mjukstyva robotar kan byggas som har en invändig stel ram och externa mjuka element. Mjuka element kan ha många funktioner: både verkande mekanismer som liknar djurens muskler och mjukgörande material för att garantera säkerheten vid en kollision med en person.
Mjuka robotar kan implementeras inom medicin, särskilt inom invasiv kirurgi . Mjuka robotar kan hjälpa till med operationer: genom att ändra sin form kan en sådan robot lätt röra sig genom människokroppens slingrande strukturer. Detta kan uppnås genom att använda en vätskedrivning. [3]
Mjuka robotar kan fungera som flexibla exosuiter för att rehabilitera patienter, hjälpa äldre eller helt enkelt öka styrkan hos användaren. Harvard-teamet har skapat en flexibel exosuit som övervinner bristerna hos stela exosuits som begränsar en persons naturliga rörelse. [fyra]
Traditionellt är tillverkningsrobotar isolerade från mänskliga arbetare på grund av säkerhetsproblem, eftersom en kollision mellan en stel robot och en människa lätt kan leda till skador på grund av robotens snabba rörelse. Mjuka robotar, å andra sidan, kan säkert arbeta tillsammans med människor, i händelse av en kollision kommer robotens mjuka material att förhindra eller minimera potentiella skador.
Mjuk robotik kan användas för biomimik i havs- eller rymdutforskning. I sökandet efter utomjordiskt liv behöver forskare veta mer om utomjordiska vattenkroppar, eftersom vatten är källan till liv på jorden. Mjuka robotar kan användas för att simulera vattenlevande varelser. Ett sådant projekt genomfördes av Cornell-gruppen 2015 under ett anslag genom NASA Innovative Advanced Concepts (NIAC). [5] Teamet satte sig för att simulera en hypotetisk varelse som lever i Europas istäckta hav, Jupiters måne, genom att utveckla en mjuk robot som efterliknar rörelsen av en lamprey eller bläckfisk i vattnet . Utforskningen av en vattenförekomst, särskilt en på en annan planet, innebär att lösa unika problem inom mekanik och sökandet efter material.
Mjuka robotar, särskilt de som är designade för att efterlikna livet, behöver ofta laddas cykliskt medan de rör sig eller utför någon annan uppgift. Till exempel, i fallet med den lamprey eller den bläckfiskliknande roboten som beskrivs ovan, skulle rörelse kräva vattenelektrolys och gasantändning, vilket resulterar i snabb expansion för att driva roboten framåt. [5] Denna repetitiva och explosiva expansion och sammandragning kommer att skapa intensiv cyklisk stress på det valda polymermaterialet. En nedsänkt robot på Europa skulle vara praktiskt taget omöjlig att reparera eller ersätta, så man måste vara noga med att välja ett material och en design som minimerar uppkomsten och fortplantningen av utmattningssprickor. I synnerhet bör ett material väljas med en utmattningsgräns eller spänningsamplitudfrekvens över vilken polymerens utmattningsbeteende inte längre är frekvensberoende. [6]
Eftersom mjuka robotar är gjorda av mjuka material måste temperatureffekter beaktas. Sträckgränsen för ett material tenderar att minska med temperaturen, och i polymera material är denna effekt ännu mer uttalad. [6] Vid rumstemperaturer och högre temperaturer kan långa kedjor i många polymerer sträcka sig och glida längs med varandra, vilket förhindrar lokal spänningskoncentration i ett område och gör materialet formbart. [7] Men de flesta polymerer genomgår en duktil-till-spröd övergångstemperatur [8] under vilken det inte finns tillräckligt med termisk energi för att långa kedjor ska reagera på ett så duktilt sätt och fel är mycket mer sannolikt. Tendensen för polymermaterial att bli spröda vid lägre temperaturer tros vara orsaken till Challenger-katastrofen och bör tas på största allvar, särskilt för de mjuka robotar som kommer att introduceras inom medicinen. Den sega-till-spröda övergångstemperaturen behöver inte vara vad som kan anses vara "kall" och är i själva verket en egenskap hos själva materialet beroende på dess kristallinitet, slaghållfasthet, sidogruppstorlek (när det gäller polymerer) och andra faktorer .