הקדמה: אימפולסיבי עבור Soft Robotics ב ניטור סביבתי

ניטור סביבתי הוא צורך קריטי במאה ה -21, כמו תאונות תעשייתיות, אסונות טבע ושינוי האקלים מאיים יותר ויותר על מערכות אקולוגיות עדין ובטיחות אנושית. אזורים מסוכנים - כגון אתרי היתוך גרעיניים, שפכות כימיות רעילות, אזורים געשיים פעילים, אזורים הידרותרמיים עמוקים של הים, ושטחי מים מזוהמים - איסוף נתונים מתמשך ומדויקים ללא חשיפת חיי אדם או תשתיות יקרות לסכנה קיצונית, או ממערכות מתכת, הן יכולות להיות ממערכות טבעיות, אך ורק ממושכות יותר, אך ורק ממערכות מתכת קשות, אך הן ממערכות מתכתיות, אך ורק ממערכות טבעיות, אך ורק ממערכות טבעיות, אך הן יכולות להיות ממושכות יותר מדי, אך ורק ממושכות יותר מדי, אך ורק ממערכות מתכתיות, אך ממושכות מדי, אך ממערכות מתכתיות, אך ורק ממערכות מתכתיות, אך הן ממושכות יותר מדי, אך הן ממערכות מתכתיות, אך הן יכולות להיות ממושכות יותר מדי, אך ממושכות יותר מדי, אך הן ממערכות מתכתיות, אך הן ממושכות יותר מדי, אך הן ממושכות יותר מדי, אך הן ממושכות יותר מדי, אך הן ממושכות יותר מדי, אך ורק ממושכות יותר מדי, אך ורק ממערכות מתכתיות, אך ממושכות יותר מדי

היכנס רובוטיקה רכות: שינוי פרדיגמה שמשתלב במערכות נוקשה, מבוטות עם מבנים תואמים, מעוותים שנעשו מ- elastomers, פולימרים, וחומרים דמויי בד.רובוטים רכים אלה יכולים לתקשר בבטחה עם סביבתם, להתאים משטחים לא סדירים, לנווט מכשולים גלויים - כל עוד הם משיגים את עקרונות הפעולה התפעוליים שלהם בטוח יותר, בהיר יותר, ולעתים קרובות זול יותר כדי ליצור.

מה הם רובוטים רכים? Defining a New Class of Machines

רובוטים רכים הם מכונות שנבנו בעיקר מחומרים מקבילים המאפשרים להם להשיג עיוותים גדולים ומצעים רצופים, מעוותים, מתיחה. בניגוד לעמיתיהם הנוקשות, אשר מסתמכים על מפרקים דיסקרטיים, מנועים ומכשירים, רובוטים רכים משתמשים לעתים קרובות בפעולת זחל נוזלי (pneumatic או הידראולי), סגסוגת אדפטי, או אדפטומטרים דיאלקטריים דיאלקטריים כדי ליצור את השדה שואב השראה כבדה, כל תא המטען, או גזעים יחידי אדמה, או כל חומר נפץ, או חלקיקים, או חלקיקים מורכבים, או תולעים מורכבים, או תולעים מורכבים, או תולעים, או תולעים, או תולעים מורכבים, ללא תולעים מורכבים, או תולעים מורכבים, או תולעים חד-קרקעיים מורכבים, או תולעים, או תולעים, או תולעים חד-קרקעיים מורכבים, ללא תולעים, או תולעים, או תולעים, ללא תולעים, או תולעים מורכבים, או תולעים מורכבים, או תולעים, ללא תולעים, ללא תולעים, או תולעים, או תולעים מורכבים, או תולעים, או תולעים חד-קרקעיים

מאפיינים מרכזיים

  • (FLT:0) מינוף אווירי: FLT:1 הגוף עצמו עשוי מחומרים כמו גומי סיליקון, פוליאורטן, או הידרוגלס, עם הוראות מודולוליות גמישות של גודל נמוך יותר מאשר מתכות או פלסטיק קשה.
  • (FLT:0)Distributed Actuation:03: ⁇ 1) Motion מושג באמצעות הרחבה מבוזרת (חדרי פשומטיים), התכווצות (כבלים מונעים על ידי תפוצה חשמלית) ולא מנועים מבודדים.
  • (FLT:0) עיוות בולט: רובוטים רכים 1FLT 1 מפגינים דרגות אינסופיות של חופש באופן עקרוני, ומאפשרים להם להניח צורות מורכבות עקומות שרובוטים קשיחים אינם יכולים להשיג.
  • (FLT:0) רפורמות פאסיביות: 1FLT כאשר יוצרים קשר עם אובייקט או משטח, הגוף של הרובוט באופן טבעי מתפוגג כדי להפיץ לחץ מגע, להפחית את הסיכון לנזק הן הרובוט והן לסביבה.

דוגמאות לא ניתנות כוללות את הארוורד אוקט - רובוט אוטונומי רך לחלוטין המופעל על ידי תגובות כימיות - ואת המאחזים הרכות בהשראת סטנפורד שיכול להרים ביצה גולמית, פרח, או סלע ללא ריסוק או זריקה.יכולות אלה הן ישירות translatable למשימות ניטור סביבתיות שבו טיפול מדגם עדין אינטראקציה עם תת-שכבות רגישות הן רבות.

יישומים של רובוטים רכים ב ניטור אזורי מסוכן

המאפיינים הייחודיים של רובוטים רכים הופכים אותם מתאימים במיוחד למגוון של סביבות מסוכנות שבו קשיחות וכוחות מגע גבוהים הם התחייבויות.

אתרי אסון גרעיניים וקרנות קרינה

בעקבות אירועים כמו התאונה הגרעינית של פוקושימה דאיצ'י, רובוטים הוצבו לרמות קרינה סקר, לבדוק מבנים המכילים, ו לאתר פסולת דלק.עם זאת, רובוטים נוקשים רבים לא נפגעו עקב נזקי קרינה לאלקטרוניקה ונדבקו בשומן.רובוטים רכים מציעים כמה יתרונות: הם יכולים גם ללסחוט פערים קלים במבנים התמוטטים, הגוף המשולב שלהם פחות סביר להניח לנפץ על פסולת, והם יכולים להיות מעורבים עם חיישנים קלים של שפעת:

הערכה כימית של Spill ו- Hazardous Waste Sites

שפכות כימית – בין אם מתאונות תעשייתיות או ממקרי תחבורה – נדרשת הערכה מהירה לקבוע את היקף הזיהום ואת זהות החומרים מסוכנים.רובוטים רכים יכולים להיות פרוסים באמצעות מל"ט או נזרקים לאזור הנגוע.ה ההתנגדות הכימית שלהם (חומרים כגון פלואורוסליקון או ציפויים PT-FE) מאפשר להם לפעול בסביבה שוחקת.

ניטור תת-קרקעי ועמום

האוקיינוס העמוק הוא במידה רבה בלתי נחקר ולעתים מסוכן בשל לחץ קיצוני, אוורור קר, רעיל או סביבות נפץ ליד בארות שמן תת-קרקעי.רובוטים רכים בהשראת אוטופוס וג'לי דגים יכולים לפעול במעמקים גדולים ללא כלי לחץ קשיח - הגוף פשוט דחוס תחת לחץ, והנוזלים הפנימיים יכולים לפרוס 100 מ"מאטמוסים" (Fontly Acted to Silently) או "Following" (Folators) ב-Folating) הם חומרים קלים, כלומר, כלומר, ללא חומרים קלים, הם דגים רכים, אשר נראים, או מ-FLTs) אשר נמצאים ב-F.

חקר אזור וולקני וג'ותרמאל

הרי געש פעילים ושדות גאותרמיים מציגים חום קיצוני, גזים רעילים (SO2, H2S), ושטח גס.רובוטים רכים עשויים מסיליקון עמידים תרמיים וקרמיקה יכולים לזחול על סלעים חדים ולהיכנס לאוונטוליים מרוטאוליים.היכולת שלהם לפענח ולספוג זעזועים קרקעיים הופכת אותם להתפרצות יותר יעילה לנפילה של פסולת מאשר מעכבי חום.

היתרונות של Soft Robotics עבור ניטור סביבתי

בעוד שכל אזור סיכון מציב אתגרים ייחודיים, הרובוטיקה הרכות מציעה כמה יתרונות ממושכים שהופכים את המערכות האלה אטרקטיביות יותר ויותר עבור משימות ניטור.

בטיחות פנימית וצמצום ההשפעה הסביבתית

היתרון העיקרי הוא בטיחות - הן עבור הסביבה להיות במעקב ועבור הרובוט עצמו.חומר רך ממזער כוחות מגע, צמצום הסיכוי לרסק אורגניזמים שבריריים, לשבור היווצרות גאולוגיים, או הזרקת גזים דלים.אין סיכון של ניצוצות ממגע מתכת-על-מטאלי, קריטי באטמוספירה נפץ רך או מרוסק, סביר להניח כי זה פחות גורם לשני אזורים רגישים כמו פחמן מגנטיים, כמו ממתכת כבדה, או ממתכת, כמו ממתכת כבדה, כמו חומרים קוסמטיים, או חומרים קוסמטיים, כמו גם חומרים קוסמטיים, חומרים קוסמטיים.

גמישות ניווטית

רובוטים ריגיד מוגבלים על ידי עיצוב הקריומטי שלהם - הם צריכים מסלולים ברורים משטחים שטוחים. רובוטים רכים, לעומת זאת, יכול לדחוס פערים קטנים בהרבה מאשר גודלם המנוחה. לדוגמה, רובוט רך יכול להיות מתוכנן לנפח ולהרחיב, ומאפשר לו להיכנס צינור או crevice עם מחזור חוצה רק 20% של הקוטר המורחבת שלו.

הסתגלות למשטחים מורכבים

לעתים קרובות ניטור כרוך נספח חיישנים על משטחים לא סדירים - קירות מולכדים, צינורות תת-קרקעיים, או גזעי עץ. לוכדים רכים יכולים להתאים כמעט לכל צורה, החל לחץ עדין עקבי, ובכך לשפר את נאמנותו של מגע חיישן.בנוסף, חיישנים שלמים גוף המאפשרים הרובוט "להרגיש" את הסביבה שלו, לזהות מכשולים מבלי לדרוש מערכות ראיית מחשב מורכבות.

עלות-אווירה יעילה ו Deployment מהירה

רובוטים רכים רבים יכולים להיות מוטבע באמצעות עובש, הדפסה תלת מימדית, או שכבתם של אלסטומרים זולים. זה מקטין את העלות לכל ענישה באופן דרמטי בהשוואה רובוטים קשיחים עם סרבוסים מרובים, הילוכים, ונושאות. עלות נמוכה מאפשרת פריסת רובוטים חד-פעמיים או חצי-מחדש באזורים מסוכנים ביותר שבהם ייתכן שקורטיל לא יהיה בלתי אפשרי, פשטני פעולה פשוטים לעתים קרובות דורשים מערכות בקרה פשוטות יותר - מריצים אלה - יכולות לייצר מריצים יעילים יותר.

חידושים טכנולוגיים מניעים את השדה

שנים האחרונות ראו פרץ של חדשנות בחומרים, אקטוציה, רגישה ושליטה שמשפרת ישירות את יכולות ניטור סביבתי.

חיישן רך: Embedded Environmental Intelligence

חיישנים חודרים לתוך גוף רך כבר אתגר, אבל התקדמות אלקטרוניקה מתוחה וסגסוגת נוזלי-מטאל מייצרים חיישנים עקביים שיכולים למדוד זן, לחץ, טמפרטורה, לחות, pH וכימיקלים ספציפיים.לדוגמה, עור רובוט רך יכול להיות ספוג עם microchannels מלאת חמצון אקוטית גליום-indium (EGaIn), יצירת חוטים מתוחים כי לזהות עיוותים אלה עם צינורות רגישים.com.

Bio-Inspired Actuators: משרירים ועד רשתות Pneumatic

הפעלה רובוטים רכים יש מגוון מעבר ל pneumatics פשוטה. Dielectric elastomer actuators (DEA) לחקות שרירים ביולוגיים - הם די דקים של elastomer בין אלקטרודות תואמים כי להרחיב כאשר מתח מוחל. DEAs מאפשר דחיסות מהירה וטמפרטורה גבוהה עם דיוק רב, שימושי עבור סגסוגת נחושת (כמו, כמו, כמו גם, כמו גם) יכול להיות מופעלת על ידי שימוש רב עוצמה נמוכה על ידי שימושית על ידי שימוש בשרירים.

אסטרטגיות ל-Locomotion אסטרטגיות עבור Terrains מסוכנים

איך רובוט רך נע מותאם למשימה שלו.חלק לנוע כמו תולעים אינץ ' (מצטבר ומרחיב), אחרים מתגלגלים כמו בטן, לשחות כמו ג'לסטיק, או slither כמו נחש.עבור שלב מתפתל, רובוט רך שיכול לנפח פלחי רוח שונים כדי "זחלת סטרואט" הראה יציבות גבוהה על חוקרים לא מפותחים אפילו על פני השטח הרכה זה יכול להפחית את הרובוטים של פעמון איטי יותר, אפילו מתפתל אחד של רובוט מתפתל אחד, כדי להפחית את הפחתת ציפוי רובוט מתפתל של רובוט דקרכיט.

כוח ואוטונומיה: התקדמות ומגבלות

אחד ההוורדים הגדולים ביותר הוא כוח; רובוטים רכים מסתמכים לעתים קרובות על צינורות אוויריים tethered או משאבות חיצוניות, אשר מגבילים טווח וניידות.עם זאת, תגובה כימית מונעת רובוטים רכים (כמו אוקטווט) וסוללות בקנה מידה מיקרו-מידה המשולבות בתוך הגוף פותחות אפשרויות חדשות. יצרניות אנרגיה רכות - פולימרים אופטיים, ננוגנים תלת-חשמליים - עשויים אורגניזמים מאנרגיה ממזגנית ממזגנית או ממזג אווירית מאנרגיה לטווח ארוך של תאים פתוחים;

אתגרים לOvercome and Future Directions

למרות ההבטחה שלהם, רובוטים רכים עדיין אינם מינסטרים לניטור סביבתי.מחסומים אחדים נותרו לפני שהם הופכים להיות סוסי עבודה מבצעיים.

אחריות ויציבות לטווח ארוך

חומרים רכים מתפוגגים לאורך זמן באמצעות חשיפה ל-UV, התקפה כימית, שחיקה ועייפות מחזורית. רובוט פרוס במשך שבועות או חודשים באזור מסוכן עלול לקרוע, לדלפה, או לאבד את צורתו. החוקרים חוקרים חוקרים חוקרים בודקים פולימרים בעלי משקל עצמי שתיקון חתכים קטנים באופן אוטונומי, כמו גם ממריצים רכים חזקים (למשל, אמפרסמימים מעוקלים) שמתנגדים לדמיעת תוך שמירה על גמישות, כמו הדפסה פנימית, כמו גם שיטות מתוחכמות, יכולות לשלב עם רכה.

כוח אוטונומי וחיסכון באנרגיה

לרובוטים רכים ללא סייג יש טווח מוגבל וריצה זמן בשל צפיפות האנרגיה הנמוכה של סוללות רכה נוכחיות או חוסר יעילות של הבעירה פנימית עבור מערכות neumatic.טכנולוגיית סוללות שיכולה לקפל וגמישות מתקדמת, אבל יכולת נותרת צנועה.עבור ניטור ארוך טווח באזורים עתירי משקל גבוה או אזורי עתירה גבוהה, ייתכן עדיין נדרש, אשר יכול להיות נדרש, אשר יכול להזיזווץ אנרגיה גמישה או מתחומים סביבתיים (מפרק) הם באופן משמעותי.

שליטה ומודל מורכבות

מכיוון שלרובוטים רכים יש רמות אינסופיות של חופש, מודלים של תנועה ולהבטיח מיקום מדויק הוא מאתגר מאוד.דינמיקה גוף נוקשה מסורתית נוקשה לא ליישם. חוקרים משתמשים במודלים של יסוד סופי או מכניקת רצף, אבל אלה דורשים משאבים חישוביים גבוהים ולעתים קרובות הם פשוטים. גישות למידת מכונות - למידה כוח, רשתות עצביות מאומן בסימולציה - עוזר רובוטים רכים ללמוד ללכת, לשחות, ולא מודלים מפורשים כמו כוח חישובי, הופך להיות יעיל יותר, יעיל יותר, לשפר את הגמישות, לשפר את הגמישות, לשפר את הגמישות יותר.

אינטגרציה עם Rigid Components

רובוטים רכים מעשיים עדיין דורשים אלמנטים נוקשים: על שסתום, סוללות, לוחות מיקרובקר, ומחברים.זה "קשקשד eleton" מפשר כמה יתרונות רכים ויוצר ריכוזים מתחים שבהם רכים פוגש קשה. אריזות חדשניות, כגון הטמעת אלקטרוניקה במתתתות גמישות או באמצעות מיקרו-מעבדים נוזליים, יכול להפחית נקודות מעבר.

מסקנה: עתיד יציב למעקב סביבתי

רובוטיות רכות מציע גישה שונה לחלוטין לפעול באזורים מסוכנים - אחת שמעדיפה ציות, בטיחות, הסתגלות על כוח ודיוק פראיים, בעוד שהשדה עדיין מתבגר, ההתכנסות של חומרים רכים, חישה מוטבעת, ביו-שנאת השראה, שליטה המונעת על ידי בינה מלאכותית מייצרת רובוטים המסוגלים להגיע למקום שבו בני אדם ומכונות קשיחות לא יכולים ממיפוי בתוך כורעת גזים, כדי להרחיב את הרי געשי עורם של גזים סביבתיים.

הדרך קדימה דורשת שיתוף פעולה בין-תחומי: חומרים שמפתחים טכנולוגיות אקסטמנטריות וחכמים יותר, מהנדסים מכניים מעצבים תוכניות הפעלה חדשות, מדעני מחשב יוצרים אלגוריתמים של שליטה אדפטיבית, ומדענים סביבתיים המגדירים דרישות משימה.עם המשך השקעה ומבחן עולם אמיתי, רובוטים רכים יהפכו לכלים חיוניים לשמירה על מערכות אקולוגיות, מגיבים לאסונות תעשייתיים, וחוקרים את הגבולות הבלתי נגישים האחרונים על הפלנטה שלנו.