Более мягкий подход к робототехнике
Soft approach to robotics
.fav_bar { float:left; border:1px solid #a7b1b5; margin-top:10px; margin-bottom:20px; } .fav_bar span.fav_bar-label { text-align:center; padding:8px 0px 0px 0px; float:left; margin-left:-1px; border-right:1px dotted #a7b1b5; border-left:1px solid #a7b1b5; display:block; width:69px; height:24px; color:#6e7476; font-weight:bold; font-size:12px; text-transform:uppercase; font-family:Arial, Helvetica, sans-serif; } .fav_bar a, #plus-one { float:left; border-right:1px dotted #a7b1b5; display:block; width:36px; height:32px; text-indent:-9999px; } .fav_bar a.fav_print { background:url(‘/images/icons/print.gif’) no-repeat 0px 0px #FFF; } .fav_bar a.fav_print:hover { background:url(‘/images/icons/print.gif’) no-repeat 0px 0px #e6e9ea; } .fav_bar a.mobile-apps { background:url(‘/images/icons/generic.gif’) no-repeat 13px 7px #FFF; background-size: 10px; } .fav_bar a.mobile-apps:hover { background:url(‘/images/icons/generic.gif’) no-repeat 13px 7px #e6e9ea; background-size: 10px} .fav_bar a.fav_de { background: url(/images/icons/de.gif) no-repeat 0 0 #fff } .fav_bar a.fav_de:hover { background: url(/images/icons/de.gif) no-repeat 0 0 #e6e9ea } .fav_bar a.fav_acm_digital { background:url(‘/images/icons/acm_digital_library.gif’) no-repeat 0px 0px #FFF; } .fav_bar a.fav_acm_digital:hover { background:url(‘/images/icons/acm_digital_library.gif’) no-repeat 0px 0px #e6e9ea; } .fav_bar a.fav_pdf { background:url(‘/images/icons/pdf.gif’) no-repeat 0px 0px #FFF; } .fav_bar a.fav_pdf:hover { background:url(‘/images/icons/pdf.gif’) no-repeat 0px 0px #e6e9ea; } .fav_bar a.fav_more .at-icon-wrapper{ height: 33px !important ; width: 35px !important; padding: 0 !important; border-right: none !important; } .a2a_kit { line-height: 24px !important; width: unset !important; height: unset !important; padding: 0 !important; border-right: unset !important; border-left: unset !important; } .fav_bar .a2a_kit a .a2a_svg { margin-left: 7px; margin-top: 4px; padding: unset !important; }
Произнесите слово “робототехника”, и большинство людей воображают себе C-3PO из “Звездных войн” или типы промышленных роботов, используемых для производства автомобилей или упаковки сыра. Почти все эти робототехнические устройства состоят из жестких механических систем, иногда обладающих различными формами искусственного интеллекта (ИИ).
Однако появляется новый жанр робототехнических устройств. Включая экзоскелеты и искусственную кожу, пневматические логические схемы, мягкие приводы, гибкую электронику и совершенно иные методы инженерии и дизайна, отличные от их жестких “родственников”, мягкие роботы переходят из научной лаборатории в реальный мир.
Влияние на общество, вероятно, будет значительным. “Мимикрируя механическую податливость и многофункциональность мягкотелых организмов, мягкие роботы могут быть полезны для широкого спектра задач и целей”, – говорит Кармел Маджиди, профессор механической инженерии Карнеги-Меллонского университета.
- 3D-напечатанный ‘живой материал’ может очистить загрязненную воду
- Проект искусственного интеллекта представляет взрослые лица детей, исчезнувших во время военной диктатуры в Аргентине
- Дело, которое рифмуется с Microsoft
Помощь и внутренняя медицина, сельское хозяйство, упаковка пищевых продуктов и поисково-спасательные операции – лишь несколько областей, которые могут затронуть мягкая робототехника. Тем не менее, несмотря на огромный прогресс в этой области, остается множество проблем. Инженеры должны наделить мягкие робототехнические системы сложными сенсорными возможностями, миниатюризированной электроникой, источником питания и интегрированным ИИ.
Мягкая робототехника представляет собой возможность создавать машины, которые могут преодолевать разрыв между человеком и машиной, говорит Райан Труби, доцент кафедры науки о материалах и инженерному делу в Университете Нортвестерн. “Построение машин из мягких и гибких материалов открывает огромные возможности. Это может привести к созданию новых типов машин и улучшить множество возможностей современных машин.”
Новое ощущение
Несмотря на то, что роботы распространены в производственных цехах, хирургических учреждениях, распределительных центрах, домах, а также в небе и под водой, они обычно страдают от серьезного ограничения: они являются жесткими механическими системами, которые повторяют одно действие или незначительное варьирование одной и той же задачи. Из-за того, что они не могут изменять форму или легко адаптироваться, они не могут достичь мест или делать то, что для живых существ достаточно легко.
Мягкая робототехника стремится освоить области, куда она еще не заходила. Используя природу в качестве вдохновения и опираясь на опыт биологии, науки о материалах, психологии и информатики, идея заключается в создании устройств, которые соответствуют контурам тел и других объектов. Вместо жестких механических рук и суставов, мягкие системы включают гибкие поверхности, оболочки и другие компонентные системы, такие как микрофлюидика, которые позволяют им взаимодействовать более естественным образом.
Будущее мягкой робототехники уже представлено в Лаборатории технологий педиатрической реабилитации в Университете Калифорнии, Риверсайд (UCR). Елена Коккони, доцент кафедры биоинженерии университета, работает над разработкой мягких робототехнических систем, которые помогут младенцам и малышам с ограниченными двигательными возможностями из-за нейромышечных расстройств научиться пользоваться своими конечностями.
В настоящее время вспомогательные устройства могут быть громоздкими и немного пугающими. Более того, “они остаются в основном пассивными и лишены способности адаптироваться в режиме реального времени. Они не обеспечивают необходимый уровень помощи”, – говорит Коккони.
Мультидисциплинарная команда в UCR уже разработала различные прототипы носимых педиатрических робототехнических эндоскелетов, которые помогают с подвижностью рук. Устройства, которые могут быть изменены для работы с плечами, локтями, коленями и другими суставами, опираются на пневматические и микрофлюидные контуры, встроенные гибкие приводы и другие датчики для реагирования на конкретные потребности ребенка в режиме реального времени, используя ИИ и другие инструменты обратной связи. “Нашей целью является создание низкоэнергетического устройства, которое безопасно для тела, легкое, низкопрофильное и почти не шумит”, – говорит она.
В то время как полностью функциональный экзоскелет с педиатрической робототехникой остается на несколько лет впереди, Коккони оптимистично смотрит на будущее мягкой робототехники помощи. “Эти системы могут помочь людям с инсультами или травмами реабилитироваться быстрее и эффективнее”, – говорит она.
Фокус на маленьких детях выбран специально. В отличие от взрослых, младенцы не могут давать вербальную обратную связь, и устройство заполняет этот пробел, обнаруживая невербальные сигналы. Однако “эти устройства не созданы для создания зависимости. Они учат детей пользоваться своими телами”, – объясняет Коккони.
Движение имеет значение
Переход от крупных точных моторизованных механизмов к робототехническим системам, которые соответствуют сложному динамическому миру, требует смешения различных технологий. “Традиционные роботы строятся вокруг идеи обеспечения интеллекта вычислительно”, – говорит Труби. Чтобы выполнять задачи безопасно и эффективно, и сам робот, и программа должны быть точными. “Это привело нас к созданию жестких роботов.”
Новые типы материалов и компонентов – искусственные мышцы и кожи, мягкая электроника, даже новые микрофлюидные системы – открывают возможности для переосмысления конструкций. Однако Труби, чьи исследования в лаборатории робототехнических материалов в Нортвестерн склоняются к функциональным мягким полимерным и наномасштабным материалам, говорит, что также важно пересмотреть вычислительные аспекты робототехники. “Когда человек берет объект, такой как смартфон, процесс не является точным или одинаковым. Мы используем деформируемость нашей кожи и механику наших мягких тел, чтобы легко выполнять эту задачу.”
Однако для современных роботов обработка телефона таким же образом является “сложной и трудной”, – указывает Труби. В результате, адаптация алгоритмов для мягких материалов является необходимой. “Мы должны пересмотреть способы алгоритмического достижения автономного поведения, чтобы использовать деформируемость тела робота и оптимизировать его производительность.”
В лаборатории мягких машин CMU фокус сделан на разработке беспроводных роботов для работы в полевых условиях, которые более подвижны и способны менять форму и ползать в ограниченных пространствах, даже внутри человеческого тела, или сочетать такие задачи, как плавание и ползание. “Мы сейчас видим огромные прогрессы в области материалов, архитектур и вычислительных инструментов как для проектирования, так и для управления”, – говорит Маджиди. Когда системы будут включать более продвинутые контроллеры и встроенную электронику, технология, скорее всего, “станет неотъемлемой частью инженерии”.
Фактически, он предсказывает, что будущие устройства могут отклоняться еще дальше от идеи стоящего робота, механической машины на заводе или даже Roomba, который пылесосит полы. Методы инженерии мягкой материи могут привести к устройствам, которые носятся на теле и даже взаимодействуют с кожей и внутренними органами. “Технология также может привести к минимально инвазивным хирургическим инструментам, которые полностью автономны и способны выполнять физическую реабилитацию, биомеханическую помощь или хирургические процедуры с минимальной зависимостью от оператора-человека.
Заключает Труби, “У нас все еще есть путь к разработке более совершенных приводов и соответствующего аппаратного обеспечения для питания и управления мягкими роботами. Но инновации в биоинспирированных материалах будут продвигать робототехнику и создавать машины, которые работают подобно живым организмам. Природа предоставляет живое доказательство о том, что возможно.”
Сэмюэл Грингард – автор и журналист из Уэст Линн, Орегон, США.
