Sztuczne mięśnie napędzają nogę robota, umożliwiając mu chodzenie i skakanie

Wynalazcy i badacze opracowują roboty od prawie 70 lat. Do tej pory wszystkie maszyny, które zbudowali – czy to dla fabryk, czy gdzie indziej – miały jedną wspólną cechę: były napędzane silnikami, technologią, która ma już 200 lat. choćby kroczące roboty mają ramiona i nogi napędzane silnikami, a nie mięśniami, jak u ludzi i zwierząt. To częściowo sugeruje, dlaczego brakuje im mobilności i zdolności adaptacji żywych stworzeń.

Nowa, napędzana mięśniami noga robota jest nie tylko bardziej energooszczędna niż konwencjonalna, ale może również wykonywać wysokie skoki i szybkie ruchy, a także wykrywać przeszkody i reagować na nie — wszystko to bez potrzeby stosowania skomplikowanych czujników. Nowa noga została opracowana przez naukowców z ETH w Zurychu i Instytutu Maxa Plancka ds. Inteligentnych Systemów (MPI-IS) w ramach partnerstwa badawczego o nazwie Max Planck ETH Center for Learning Systems, znanego jako CLS. Zespołem CLS kierowali Robert Katzschmann z ETH w Zurychu i Christoph Keplinger z MPI-IS. Ich doktoranci Thomas Buchner i Toshihiko Fukushima są współautorami pierwszej publikacji zespołu na temat inspirowanej zwierzętami muskuloszkieletowej robotycznej nogi w czasopiśmie Nature Communications.

Naładowany elektrycznie jak balon

Podobnie jak u ludzi i zwierząt, mięsień prostownik i zginacz zapewniają, iż noga robota może poruszać się w obu kierunkach. Te elektrohydrauliczne siłowniki, które naukowcy nazywają HASEL, są przymocowane do szkieletu dzięki ścięgien.

Siłowniki to wypełnione olejem plastikowe torby, podobne do tych, których używa się do robienia kostek lodu. Około połowa każdej torby jest pokryta z obu stron czarną elektrodą wykonaną z przewodzącego materiału. Buchner wyjaśnia, iż ​​„gdy tylko przyłożymy napięcie do elektrod, przyciągają się one do siebie z powodu elektryczności statycznej. Podobnie, gdy pocieram balon o głowę, moje włosy przyklejają się do balonu z powodu tej samej elektryczności statycznej”. Gdy zwiększa się napięcie, elektrody zbliżają się i wypychają olej w torbie na jedną stronę, przez co torba jest ogólnie krótsza.

Pary tych siłowników przymocowane do szkieletu powodują takie same ruchy mięśni parzystych, jak u istot żywych: gdy jeden mięsień się skraca, jego odpowiednik się wydłuża. Naukowcy wykorzystują kod komputerowy, który komunikuje się ze wzmacniaczami wysokiego napięcia, aby kontrolować, które siłowniki się kurczą, a które rozciągają.

Bardziej wydajne niż silniki elektryczne

Naukowcy porównali efektywność energetyczną swojej robotycznej nogi z efektywnością konwencjonalnej robotycznej nogi napędzanej silnikiem elektrycznym. Między innymi przeanalizowali, ile energii jest niepotrzebnie zamieniane na ciepło. „Na obrazie w podczerwieni łatwo zauważyć, iż zmechanizowana noga zużywa znacznie więcej energii, jeżeli na przykład musi utrzymać zgiętą pozycję” — mówi Buchner. Natomiast temperatura w elektrohydraulicznej nodze pozostaje taka sama. Dzieje się tak, ponieważ sztuczny mięsień jest elektrostatyczny. „To jak w przykładzie z balonem i włosami, gdzie włosy pozostają przyklejone do balonu przez dość długi czas” — dodaje Buchner. „Zwykle roboty napędzane silnikiem elektrycznym potrzebują zarządzania ciepłem, co wymaga dodatkowych radiatorów lub wentylatorów do rozpraszania ciepła do powietrza. Nasz system ich nie wymaga” — mówi Fukushima.

Zwinne poruszanie się po nierównym terenie

Zdolność nogi robota do skakania opiera się na jej umiejętności eksplozywnego podnoszenia własnego ciężaru. Naukowcy wykazali również, iż noga robota ma wysoki stopień adaptacji, co jest szczególnie ważne w przypadku miękkiej robotyki. Tylko jeżeli układ mięśniowo-szkieletowy ma wystarczającą elastyczność, może elastycznie dostosować się do danego terenu. „Nie inaczej jest z żywymi stworzeniami. jeżeli na przykład nie możemy zginać kolan, chodzenie po nierównej powierzchni staje się znacznie trudniejsze” — mówi Katzschmann. „Wyobraź sobie zejście z chodnika na drogę”.

W przeciwieństwie do silników elektrycznych wymagających czujników, aby stale informować, pod jakim kątem znajduje się noga robota, sztuczny mięsień dostosowuje się do odpowiedniej pozycji poprzez interakcję z otoczeniem. Jest to napędzane tylko przez dwa sygnały wejściowe: jeden do zgięcia stawu i jeden do jego wyprostowania. Fukushima wyjaśnia: „Adaptacja do terenu jest kluczowym aspektem. Kiedy osoba ląduje po skoku w powietrze, nie musi wcześniej myśleć o tym, czy powinna zgiąć kolana pod kątem 90 stopni czy 70 stopni”. Ta sama zasada dotyczy układu mięśniowo-szkieletowego nogi robota: po lądowaniu staw nogi adaptacyjnie przesuwa się pod odpowiednim kątem w zależności od tego, czy powierzchnia jest twarda czy miękka.

Nowoczesna technologia otwiera nowe możliwości

Dziedzina badań nad siłownikami elektrohydraulicznymi jest wciąż młoda, powstała zaledwie około sześć lat temu. „Dziedzina robotyki robi szybkie postępy w zakresie zaawansowanych elementów sterujących i uczenia maszynowego; w przeciwieństwie do tego postęp w zakresie sprzętu robotycznego był znacznie mniejszy, co jest równie ważne. Ta publikacja jest silnym przypomnieniem, jak duży potencjał przełomowej innowacji wynika z wprowadzania nowych koncepcji sprzętowych, takich jak wykorzystanie sztucznych mięśni”, mówi Keplinger. Katzschmann dodaje, iż siłowniki elektrohydrauliczne raczej nie będą stosowane w ciężkich maszynach na placach budowy, ale oferują określone zalety w porównaniu ze standardowymi silnikami elektrycznymi. Jest to szczególnie widoczne w zastosowaniach takich jak chwytaki, gdzie ruchy muszą być wysoce dostosowane w zależności od tego, czy chwytany przedmiot jest na przykład piłką, jajkiem czy pomidorem.

Katzschmann ma jednak jedno zastrzeżenie: „W porównaniu do robotów chodzących z silnikami elektrycznymi nasz system jest przez cały czas ograniczony. Noga jest w tej chwili przymocowana do pręta, skacze w kółko i nie może się jeszcze swobodnie poruszać”. Przyszłe prace powinny przezwyciężyć te ograniczenia, otwierając drzwi do opracowania prawdziwych robotów chodzących ze sztucznymi mięśniami. Dalej wyjaśnia: „Jeśli połączymy nogę robota w czworonożnego robota lub humanoidalnego robota z dwiema nogami, być może pewnego dnia, gdy będzie zasilany bateryjnie, będziemy mogli wdrożyć go jako robota ratunkowego”.