הקדמה: Paradigm של סיבים-Reinforced Soft Robotics

רובוטיים רכים צמחו מאזור מחקר נישה לתחום תוסס עם השלכות מעשיות על פני הרפואה, הייצור והחיפוש.בניגוד לרובוטים קשיחים שנבנו ממתכות ופלסטיקים קשים, רובוטים רכים בנויים מחומרים תואמים כגון סיליקון אלסטומרס, הידרוגלים, ומרקמים. גמישות טבועה זו מאפשרת להם לנווט חללים מוגבלים, בבטחה אינטראקציה עם בני אדם, ולהתאים לקרקעים יקרים, אך אותם מענקים קלים שיכולים גם כן, אך גם כן, אם הם יכולים ליישב את היתרונות המשתנים, אך ורק כדי למנוע את יכולת מסחר.

חיזוק סיבים (FLT:0) נתפס כפתרון מכריע של ההרחבה:1 לאתגר זה.על ידי הטמעת סיבים גבוהים במטרת הרכה, מהנדסים יכולים לשפר באופן דרמטי ביצועים מכניים ללא היסוס תאימות.הסיבים פועלים כמושלד, נושאת עומסי Tenile ומניעה של עיוותים מופרזים, בעוד matrix מפיץ כוחות ומאפשרים עמידה, מתמזגים, מתמזגים, עם גישה חדשה של שליטה, אך אינה דורשת חיזוקים, עם זאת, עם זאת, היא מספקת, היא מספקת, אך ורקד, היא מספקת, ומניעה של תהליכים חדשים, אך ורקמות, והיא מחייבת חיזוקים, אך ורקמות, היא מספקת, תוך שימוש בשרירים, תוך כדי שימוש בגמישות, תוך כדי שימוש בשרירים, תוך כדי שימוש בשרירים, עם זאת, עם זאת, עם זאת, עם זאת, עם זאת, עם זאת, שימוש בשרירים, עם זאת, עם זאת, עם זאת, עם תהליכים חדשים, עם זאת, שימוש בגמישות מהירה, תוך כדי שימוש בשרירים חדשים, שימוש בשרירים, עם זאת, שימוש בשרירים, כדי שימוש בשרירים, תוך כדי שימוש בשרירים, תוך כדי שימוש בשרירים, שימוש בשרירים, תוך כדי שימוש בשרירים, כדי שימוש בשרירים, שימוש ב

מאמר זה חוקר את עקרונות הליבה מאחורי חיזוק סיבים, מדגיש את ההחידושים האחרונים המשפיעים ביותר, בוחן את היתרונות מבניים ותפקודיים, ודן באתגרים שנשארו.זה גם נראה קדימה טכנולוגיות מתפתחות - סיבים מעוררי-עצמי, עיצובים ביו-שעוריים ומערכות בקרה חכמות - המבטיחות להרחיב את היכולות של מערכות מצוינות אלה.

מימון של סיבים-Reinforced Robotics

חומרים ואדריכלות סיבים

בחירת חומר סיבים ממלא תפקיד מרכזי בנכסים הסופיים של סיבי חיזוק מורכבים.

  • (FLT:0)Carbon סיבים FLT:1) מציע יחס כוח יוצא דופן למשקל ולנוקשות גבוהה, אידיאלי עבור יישומים הדורשים יכולת עומס מקסימלית עם מסה מינימלית הוסיף.
  • (ב) ,0)Kevlar (aramid)FLT:1) מספק עמידות גבוהה והשפעה, שימושית ברובוטים שצריכים לשרוד התנגשויות או טעינה דינמית חוזרת.
  • (ב) [15] ,0)Glasss סיבים סיביים (FLT:1) – אלטרנטיבה יעילה בעלות עם כוח רב-עוצמה טוב, המשמש לעתים קרובות אב-טיפוס או היכן צורך בידוד חשמלי.
  • (FLT:0)Nylon ו סיבים פולימרים אחרים (FIRLT:1) - מציעים גמישות טובה והתנגדות עייפות, ויכול להיות תואם יותר עם תהליכים ליהוק זמניים נמוכים.
  • (ב) ,0) סיבים אופטיים או אופטיים (FLT:1) - מאפשרים חישה ותקשורת פונקציות בתוך אותו אלמנט מבני.

סידור הסיבים הוא קריטי באותה מידה, שלושה אדריכלות ראשונית שולטת בספרות:

  • (ב) ,0) ארוך-לקטונאל (axial) סיבים ראשיים (FLT) 1 רץ לאורך זרוע רובוט או פועל, מתנגד לגעגועים ולספק נוקשות מכווצת במטוס אחד.
  • (FLT:0)Circumferential (hoop) סיבים ראשיים (FLT) 1 עוטפים סביב החלקה של הרובוט, הגבלת התרחבות קורנלית כאשר הלחץ הפנימי מוחל - חיוני עבור pneumatic או הידראולים.
  • (FLT:0) דפוסים של ההלכות או החרוטים של 1) משלבים אפקטים אקסקליים ו circumferential, המאפשרים לשלוט בו זמנית של הרחבה וכושר הזיוף.על ידי שינוי זווית החזה, מעצבים יכולים לכוון את התגובה של הרובוט ללחץ פנימי או עומס חיצוני.

עקרונות עיצוב ועקרונות עיצוב

חיזוק סיבי מנצל את העיקרון של קשיחות אנזוטרופית.כי סיבים חזקים ונוקשות לאורך אורך שלהם אבל חלשים perpendicular, התגובה המכנית של המסובייק הופכת להיות תלויה כיוון.זה מאפשר מהנדסים ל-FLT:0tailor את מצבי הדה של הרובוט, בעוד מאלץ את ה-FLT:1 להתאים את התנועה המיועדת.

מודלים אנליטיים המבוססים על תיאוריה מורכבת - כגון תיאוריית ההלמכה הקלאסית ו- סיבים-reinforced elastomeric Complexs (FREEs) - מונח תהליך העיצוב. Parameters כמו נפח סיבים, ממטריקס מודולים, ונטימנט סיבים הם אופטימיזציה באמצעות ניתוח אלמנט סופי (FEA) לפני ייצור. גישה חישובית זו מאיצה ולהפחית את התפתחות המשפט-טרור.

העבודה האחרונה הציגה גם את ה-FLT:0 (pneumatic ActuatorspherssureFLT:1 אשר מחקה שריר ביולוגי.על ידי נפח צינור חזק עם סיבים מעוצבים בקפידה, חוזים אקטומטור, מרחיב, או לסובב בהתאם לפריסת הסיבים. אלה מטבולן-סגנון משמש רכות, רובוטי, פרופיל רובוטי, מגנטי, ומאפשרת לתבניות ספציפיות של עיצוב.

חדשנות מפתח נהיגה בשדה

פחמן סיבים: ביצועים גבוהים בחבילת אור

סיבי פחמן הפכו לחומר עבור יישומים רובוטיים רכים הדורשים שלמות מבנית גבוהה.כוחו הרב-ילי – לעתים קרובות מעל 3,500 MPa – רחוק עולה על כך של ממטריקס פולימר רך, אשר בדרך כלל יש לו מודולוס בעשרות MPa. על ידי הטמעת סיבים פחמן עדרים או שכבות בד, החוקרים יצרו ממריצים רכים שיכולים להרים עומסים רבים שלהם ללא שינוי קטסטרופלי.

דוגמה בולטת אחת מגיעה מ-FLT:0 [Whitesides Research GroupsFLT]:1, שבו פחמן-פיבר-reinforced סיליקון pneu-nets (רשתות ⁇ ) הדגים עלייה פי עשרה ביכולת של עומס בהשוואה לגרסאות לא-reinforceed.הסיבים מנעו bulging ו-rupture בלחץ גבוה יותר, ומאפשרים להפעלה של כוחות כדי לספק כלים מדויקים יותר של פחמן, אך ורקמות, אך ורקמות, אך ורקמות, אך ורקמות, אך ורקמות, אך ורקמות, הן עדיין היו בשימוש, כמו גם כן, כמו כן, כמו גם שימוש במנגנוני בקרה.

3D הדפסה של מבנים שורש-המוחות

ייצור אדרטיבי מהפכה במרקם של רובוטים רכים בעלי כוח סיבים. [שיטות מסורתיות] דרשו מיקום ידני של סיבים לתבניות, אשר היה זמן-consuming ומוגבל לגאומטריה פשוטה.FLT:03D הדפסה מאפשרת דיוק, חדות אוטומטית של סיבים FLT:1 בתוך ממטריקס רך, פתח אדריכלות מורכבת, אופטימיזציה.

שתי גישות עיקריות קיימות: (1) כתיבה ישירה (DIW) של filaments מורכבים, שבו a nozzle extrudes תערובת של פולימר וסיבים מפוצצים, ו (2) הדפסה קואקסיאלית, שבו סיבים רציף מוזנים דרך nozzle לצד חומר ממטריקס.האחרון מייצר נתיבים רצופים הממקסמים את הכוח, בעוד הקודם מציע גמישות רבה יותר בעלות של אפקט מעט נמוך יותר.

חוקרים ב-FLT:0 (Hyssss InstitutesssscioFLT) 1 של HREFLT ( 1:1) הראו מאחזים רכים מודפסים 3D עם סיבים זכוכית מוטבעים.הסיבים הוכוו בדפוס הלייקאלי סביב האצבעות, המאפשר לתופס להרים חפצים עד 100 פעמים משקלו שלו.

חידוש נוסף הוא השימוש של הדפסה מבוססת-יתר (FLT:0) ב-Virbedded Print in Support BathsFLT:1 (FRESH Print) כדי ליצור מבנים ללא פיגור ללא sagging. על ידי הדפסה לתוך תמיכה ג'ל זמני, יצרנים יכולים לבנות ג'קמטות מואצות כגון משות לב מוחלשות או רובוטיות רכות עם סיבים פנימיים של סיבים.

סיבים חכמים ו Embedded Sensing

שילוב של סיבים פונקציונליים - אלה שיכולים לחוש, לנהל, או אפילו לפעול - מייצג קפיצה לעבר רובוטים חכמים רך סיבים מוליכים עשויים צינורות פחמן (CNTs), ניילון מכוסי כסף, או נוזל מלא קפסולות יכול להיות מוטבע בתוך הממטריקס רך כדי ליצור מדדים, לחץ, חיישנים או מגע סיבי אלה לעשות יותר מאשר לחזק; הם מספקים משוב מבני: 0 LT-פר על בריאות LT 1 LT.

לדוגמה, צוות של CSAILFLT של סיליקון:0 [ה-CSAILFLT] 1:1 מוטבע סיבי CNT לתוך פועל אצבע סיליקון.כאשר האצבע, ההתנגדות החשמלית של הסיבים השתנתה באופן יחסי, המאפשר הרובוט "להרגיש" את הסגולה שלו.

סיבים אופטיים הם עוד מעמד מבטיח של חיזוקים חכמים. סיביים Braggings (FBGs) שנכתב לתוך הליבה יכול למדוד מתח וטמפרטורה עם דיוק גבוה. Embedding FBG מקיפים הזרוע רובוט רך נותן פרופיל מתמשך של ריפוי וכוח חיצוני.זה שימושי במיוחד בניתוח פולשני מינימלי, שבו המנתח צריך לדעת את הצורה המדויקת ועומס מוחל על ידי כלי רסמוכי.

במבט נוסף, החוקרים בוחנים סיבים שיכולים לשנות נוקשות על הביקוש – למשל, על ידי הטמעת סגסוגת דמוי-זיכרון (SMA) חוטים או ⁇ נקודות-חיוב נמוך כי נמסים ומחזקים תחת שליטה חשמלית. "סיבים פעילים אלה" יכולים לאפשר רובוט רך לעבור בין מצב גמיש, מקביל למצב נוקשה, נוקשה, מעצם, כמו octopus יכול לאפשר רובוט רך עבור מניפולציה נוקשה.

יתרונות מבניים והשגת ביצועים

הגדלת יכולת הטעינה וההתנגדות ל-Rupture

היתרון המיידי ביותר של חיזוק סיבים הוא עלייה דרמטית לטעון כי רובוט רך יכול להתמודד בבטחה. unreinforced סיליקון פועל Actuators עשוי לטבול וקרוע תחת לחץ פנימי מעל 50-100 kPa עם סיבים משובצים, אותו פועל יכול לקיים לחצים מעל 500 kPa, יצירת כוחות על גודל גבוה יותר.

בנוסף לעומסים סטטיים, סיבים חיזוקים FLT:0 [הההדגשה] מעצימות לעייפות מחזורית של מחזורי מחזור 1 [FLT]; רובוטים רכים עוברים לעתים קרובות אלפי מחזורי עיוות, אשר יכולים להוביל לפצח את ההתפשטות ובסופו של דבר לקרע. סיביים עוצרים את הסדקים הללו על ידי שפיכת משטחי השברים והפצת הלחץ.

Anisotropy for Complex Motions

על ידי שליטה באוריינטציה סיבים, מהנדסים יכולים לעצב רובוטים רכים שנעים בדרכים ספציפיות ביותר.

  • הלסת התופסת שמתסוללת כאשר היא לוחצת, כי סיבים על פני השטח החיצוני מונעים מתיחה בעוד פני השטח הפנימי מתרחב בחופשיות.
  • מעשה טוויטור מעוות של סובב מצלמה או כלי, מושג על ידי הטמעת סיבים הליקליים שהופכים את ההתרחבות צירית לתוך torque.
  • "עמוד השדרה רך" שיכול להקשיח בכיוון אחד תוך שמירה גמישה באחרים, שימושי עבור רובוטים דמויי נחש, הנמרצים צינורות או משפשף.

יכולת זו לתכנן תנועה באמצעות ארכיטקטורת סיבים מפחיתה את הצורך באלגוריתמים מורכבים של שליטה ומכשירים מרובים, הורדת עלויות וצריכת חשמל.זה גם מאפשר לצמצום, שכן חיזוק עצמו תורם לתפקוד מכני.

ההרחבה Extended Lifespan ו-Desated Maintenance

חיי העייפות המשופרים וההתנגדות לגורמי הסביבה (UV, לחות, כימיקלים) מתרגמים ישירות לחיי החיים התפעוליים יותר. רובוטים רכים המופעלים במשימות איסוף תעשייתיות ומיקום יכולים לפעול במשך חודשים ללא תחליף.ביישומים רפואיים, שם שתלים חייבים לעמוד בסביבה האקוסמית' של הגוף במשך שנים, חיזוקים באמצעות חומרים לא תואמים כמו PEEK או סיבים הוא תחום גדל של מחקר.

יתר על כן, היכולת להטביע חיישנים עבור ניטור בריאות פירושה כי כישלונות פוטנציאליים ניתן לזהות מוקדם, המאפשר תחזוקה מונעת ולא חסימה בלתי צפויה.זה חשוב במיוחד בסביבות מרוחקות או מסוכנות שבו הגישה לתיקון היא קשה.

המונחים:

מכשירים ביו-רפואיים

רובוטיקה רכה כבר מצאה בית בתחום הבריאות, וחיזוק סיבים מאיצה את אימוץו. מכשירים ורגיים של ®FLT:1 עם טיפים רבי עוצמה יכול לספק את הגמישות הנדרשת לנווט את חללי הגוף הצרים ואת הנוקשות הנדרשת כדי להזיז רקמות או פצעים.

(FLT:0) גפיים אסתטיות של LT:1 נהנה מפועלים רכים של סיבים אשר מחקים את הנוקשות המשתנה של שריר האדם. a proאסתטיקה באמצעות סיבים המוטבעים "נטונים מלאכותיים" יכול לעבור מתפיסה משותפת (לאובייקטים עדינים עדינים) כדי להחזיק חזק (לגבי הרמת כבד).

(FLT:0) exoskeletonsFIRLT:1 עבור שיקום הם עוד אזור מבטיח משקל אור, חליפות רך התחזק עם סיבים יכול לעזור תנועות ללא רוב של חזיונות קשיחים.

רשתות תעשייתיות וממניפולטורים

בייצור, מאחזים רכים משמשים כדי להתמודד עם פריטים שבריריים (אלקטרוניקה, זכוכית, מזון) כי יהיה ניזוק על ידי הלסת מתכת קשיח.מאחזים מונעים על ידי סיבים יכולים להרים מטענים כבדים יותר תוך שמירה על המגע העדין הדרוש. לדוגמה, מאחז עם סיבים פחמן מוטבע יכול להרים בקבוק זכוכית מלא ללא שבירה, אך גם לנהל ביצה גולמית.

בנוסף, חיזוק סיבים מגביר את עמידותם של התופסים בסביבה פנימית, כגון טיפול ברכיבים מכוסים חול או הפעלה במפעלים מאובקים.הסיבים להגן על המריצה הרכה מלבוש ומדמיע, המשתרעת על חיי השירות של הסקאלר החל מימים עד חודשים.

מחקר ו ניטור סביבתי

רובוטים רכים מתאימים באופן טבעי לחקור שטחים בלתי צפויים - קביעות, שפשף, שוניות תת-ימיות, ואפילו גוף האדם.חיזוק סיביים גורם להם מספיק חזק כדי לעמוד בהשפעות ובנקודות בהגדרות אלה.FLT:0 מתחת למים רובוטים רכים יותר מחוזק עם סיבי Kevlar יכולים לצלול למעמקים של מאות מטרים ללא התנגשות, כמו סיבים מונעים את הסיבים של שימוש יתר על ידי סיבים ודימום.

בחיפוש בחלל, שבו כל דקדוק נחשב, רובוטים רכים בעלי כוח סיבים מציעים אפשרות משכנעת.הם יכולים להיות ארוזים שטוח, פרוסים באופן מפומט, ולאחר מכן נוקשות באמצעות סיבים כדי ליצור מבנים יציבים.

אתגרים ומגבלות

ייצור מורכבות ועלויות

Precise סיבים מיקום, במיוחד סיבים רצופים בצורות תלת-ממדיות, נשאר מאתגר מבחינה טכנית ויקר. שיטות הדפסה תלת-ממדיות הנוכחיות מוגבלות בנפח הבנייה ובמהירות, ולעתים קרובות דורשות לאחר תיקון או הסרת חומרי תמיכה.מדריך מונח הוא כוח-עוצמה והסתברות לאי-consistities. Scaling הייצור עד כרכים מסחריים ידרוש פרדיגמות ייצור חדשות, כגון סיבים אוטומטיים (AFP) עבור רכה.

קשר בין-גזעי ודלמנציה

הקשר בין הסיבים לבין המריצה הרכה הוא קריטי.הדבקות Weak יכול להוביל לדעומינציה - הסיבים מפרידים בין הממטריקס תחת עומס - אשר מפחית באופן דרסטי את יעילותו של טיפול על פני השטח, כגון הפעלת פלזמה או סוכנים הפיכה כימית, יכול לשפר את האגרה, אבל הם מוסיפים שלבים ולא יכול להיות תואם עם כל חומרי מריצה.

סקלאלה וסטנדרטיזציה

אין מתודולוגיה עיצוב אוניברסלית עבור רובוטים רכים של סיבים.כל יישום דורש תבניות סיבים מותאמות אישית, חומרי מריצה, ו- Actuator גיאמטריה.חוסר סטנדרטיזציה זה מקש להעביר תוצאות ממעבדה אחת לאחר או כדי לאשר מכשירים עבור יישומים קריטיים בטיחות.שדה יהנה מכלים עיצוב קוד פתוח ומאגרי מידע של שילובים של סיבים מטריקס.

יתר על כן, העלות של סיבים בעלי ביצועים גבוהים (פחמן, Kevlar, CNT) יכולה להיות מונעת עבור פריסה בקנה מידה גדול. סיבים מבוססי ביו או ממוחזרים נחקרים כחלופות בעלות נמוכה יותר, למרות שהם בדרך כלל מציעים כוח נמוך יותר.

כיוונים עתידיים

self-Healing and Fitive סיבים

שילוב פולימרים או מיקרו-קפטרולים עצמיים לתוך ציפוי הסיבים יכול לאפשר רובוט רך לתקן דמעות קטנות באופן אוטומטי. ניסויים מוקדמים הוכיחו כי רשתות פולשניות בתוך הממטריקס יכול לספק סוכני ריפוי לאזורים פגומים.אם הסיבים עצמם יכולים להיות עשויים להפוך את עצמם לחיוב עצמי - לדוגמה, באמצעות סיבים חלולים המכילים רזין - חיי הרובוט יכול להיות מורחבים.

עיצובים הירורכוב

הטבע מציע שיעורים רבים בחיזוק הסיבים.הסידור הליקולי של סיבים קולגן בכלי דם, הנוקשות של אוהלים מפוצצים, ואת המבנה הארגז של משי כל השראה גישות עיצוב חדשות.חוקרים מפתחים ארכיטקטורות סיביים היררכיים המחקים את התבניות הטבעיות האלה, השגת תכונות שהן יותר מסכום החלקים שלהם.

שילוב עם Machine Learning for Adaptive control

כמו רובוטים רכים של סיבים להיות מורכבים יותר, שליטה עליהם הופכת מאתגר יותר.התנהגות לא ליניארית של המורכב, בשילוב עם היסטריה ואפקטים תלויי זמן, מגרה מודלים אנליטיים פשוטים. Machine Learning, במיוחד למידה חיזוק, יכול ללמוד את המיפוי בין לחצים קלט ופלטים על ידי אינטראקציה עם המערכת הפיזית.זה מאפשר הרובוט להסתגל לשינויים בעומס, ללבוש, או בתנאים סביבתיים באופן אוטומטי לספק משובים אלה, אפילו אלגוריתמים מאובטחים.

Multifunctional Composites

רובוטים רכים של סיבים עתידיים עשויים לשלב אקטוציה, רגיש, קצירת חשמל ותקשורת נתונים כל בתוך רשת סיבים זהה.לדוגמה, רשת פחמן-פיבר יכול לשמש חיזוק מבני ומוליכים חשמליים לחימום או לחישה. סיבים אופטיים יכולים לשדר נתונים תוך מתן מדידות כאלה חומרים פונקציונליים יפחיתו חלק, ייצור, ונוצר רובוטים חשמליים באמת גמישים, ולהחליט תמיכה מינימלית, עם תחושה מינימלית, עם תמיכה מינימלית, וספקת, עם תמיכה מינימלית.

מסקנה

חיזוק סיבים הפך רובוטיקה רכות מסקרנות למשמעת הנדסית קיימא.על ידי הטמעת סיבים חזקים וקלים לתוך מזחלות רכות, מהנדסים להתגבר על הסחר ההיסטורי בין עמידה וכוח.ה האחרון - שילוב סיבים פחמן, הדפסה מתקדמת 3D, סיבים חכמים רגישים - דחפו את המעטפה ביצועים קדימה, המאפשר יישומים שהיו בלתי אפשריים בעבר.

אתגרים נשארים: עלויות ייצור, עמידות בין-גזעית, והצורך בשיטות עיצוב סטנדרטיות.עם זאת, מחקר מתמשך בחומרים של הערכה עצמית, אדריכלות מוכוונת ביולוגית, ובקרת למידת מכונה מבטיחה לטפל בנושאים אלה.כפי שהשדה בוגר, רובוטים רכים המופעלים על ידי סיבים, יהפכו לראיון משותף בבתי חולים, מפעלים, ומשימות חיפוש רכותיות מתחזקות - הן בסיבים גמישים והן באמצעות סיבים חזקים, ומחפשים את סיביים, פשוטומים עתידיים.