Bio-spired Robotics: Modern Mechatronics için bir Paradigm

Mechatronics mühendisliği, mekanik sistemlerin, elektronik ve akıllı kontrol entegrasyonu tarafından uzun süredir tanımlanmıştır: Doğadan ilham almak için, sadece verimli değil, aynı zamanda yapısız, dinamik ortamlarda da işletmek mümkün değildir. Bu makale, karmaşık gerçek dünya ayarlarına katı otomasyonu zorlamak yerine, mühendislere bakın - milyonlarca yıllık evrim ile şekillendi - lokomotion, algılamada karşılaşılan zorluklara hitap eden mavi baskılar için, algılama ve bir adaptasyon kontrolü. Bu makale, biyo-gerçekten doğrulanmış ilkelerin nasıl dönüşümleri, tasarım stratejileri ve teknik engellerle nasıl oluştuğunu araştırıyor.

“biyomimetic” ve “biyo-inspired” terimleri genellikle değişmez olarak kullanılır, ancak bir hummingbird’in kanatını veya bir balık kasını mümkün olduğunca sadık bir şekilde çoğaltmayı amaçlar, biyo-inspirasyon soyutları bir organizmadan çıkarır ve onları mühendislik kısıtlamalarına adapte eder.

Tasarım felsefesinde bu değişim kritiktir. Geleneksel endüstriyel robotlar, montaj hatları gibi yapısal, öngörülebilir ortamlarda üstündür. Bio-inspired robotlar, diğer yandan, geleneksel otomasyonların tarihsel olarak mücadele ettiği yerlerdir.

Core Design Principles, Nature'dan Türlenmiş

Biyolojik sistemler, mechatronic tasarımı için paha biçilmez heuristics olarak hizmet eden tekrarlanan ilkeler tarafından yönetilir.En etkili dördü aşağıda belirtilmiştir.

  • [FONT:0]Distributed actuation and uyumluluğu: Hayvanlar kasları, tendonları ve yumuşak dokular sadece hareket için değil, aynı zamanda enerji depolama ve şok edici bir akış dinamikleri için de, bu, yüksek hızlı, enerjik duygusal rahatsızlıklar ve esnek bağlantılar için tercüme eder.
  • [FONT:0)Hierarchical sensöry geri bildirim: Organizmleri hızlı yerel refleksleri birleştirir (örneğin, omurtluk devreleri) daha yavaş, kasıtlı merkezi işlem (örneğin, beyin) ile ilgili merkezi işlem (örneğin, düşük seviyeli mikro kontrol sistemleri benzer bir tabakaya sahiptir: düşük seviyeli mikro kontrol sistemleri gerçek zamanlı kuvvet düzenleme ve çarpışma refleksleri birleştirir, daha üst düzey işlemciler yol planlamayı, nesneyi ve öğrenmeyi yönetirken, bu hiyerarşik yükleri azaltır ve öğrenme sağlar.
  • [FONT:0]Morphological computation:[Dönetici: 1) Bir balık vücudunun şekli herhangi bir sinir komutu olmadan itmelere katkıda bulunur. Benzer şekilde, squash-inspired robotunun uyumlu bacaklaru, minimum algılama ile eşitsiz araziyi geçebilir, çünkü mekanik yapı kendini düzensizleştirir.
  • [FONT:0]Swarm istihbarat ve minimalizm: Ant kolonileri ve arılar basit bireysel kurallar ve yerel iletişim yoluyla sofistike kolektif davranışlar elde ederler. Swarm robotikler bu ilkeyi uygular - haritalama, arama ve kurtarma gibi görevleri yerine getirmek için çok sayıda basit robot uygularlar.

Locomotion Strategies Inspired Tarafından Nature

Locomotion, biyo-inspired mechatronics'in en aktif bölgelerinden biridir. Farklı ortamlar farklı hareket stratejileri gerektirir ve doğa zengin çözümler sunar.

Terrestrial Robotlar: Legs, Yılan Hareketi ve Granular Locomotion

Tekerlek robotlar rubble, kum veya kalın bitki örtüsü üzerinde mücadele eder. Legged locomotion - memeliler, böcekler ve reptileler tarafından ilham verilir - engeller üzerinde adım atıp ayak izlerini seçer. Boston Dynamics' Spot ve BigDog, kayalık arazileri üzerinde doğrudan tırmanır ve hatta en az algılama ile kısa mesafelere çıkabilir.

Carnegie Mellon Üniversitesi'nde geliştirilen yılan robotları, sınırlı boruları ve çökmüş yapıları dolaşmak için yılanların geçici hareketini taklit ediyor. Yüksek derecesiz vücutlar akotroper sıçantlesnakesto - yansayıcıları gözlemledi - bu robotlar Mısır piramitleri içinde arkeolojik anketler için ve endüstriyel tesisatlar için dağıtıldı.

Granular medya kum ve toprak gibi eşsiz zorluklar var.Sokak balığı lizard üzerinde araştırma, kuru kum yoluyla “swims”, düşük çözünürlük kaplamaları ve sinüsoid vücut dalgalarıyla çevrelenen orta kablo döşemesine yardımcı olabilir, gezegensel toprak örneklemesine veya tarıma yardımcı olabilir.

Aerial and Aquatic Systems: Flight and Yüzme

Aerial robotikler kuş ve böcek uçuşu tarafından yoğun bir şekilde etkileniyor. Sabit kanatlı uçaklar asansör üretmek için baskı yapanların yararlandığı okyanus dalgalarının üzerinde yoğunlaşıyor. Ornithopters –robotlar, çırpıda ve gözetiminde potansiyel uygulamalarla – bunun yerine, uçan böceklerin yerine, asansör üretmek için öncü vortices kullananlar.The Delfly and the Nano Hummingbird are examples that can hover and manevralar.

Multirotor uçakları da biyo-inspired özellikleri dahil ediyor. Rüzgar gusts mimik bir kuşun kanat şeklini ayarlama yeteneğiyle bir kuşluk kanat şekline tepki veren Morphing kanatlar da engellerle çarpışabiliyor ve etkiden sonra böcek direncinden ilham alıyor.

Sualtı, biyo-inspired robotlar, düşük hızlarda yakıtlara daha verimli bir şekilde binebilmelerine izin veren sıvı dinamikleri kullanırlar. Jellyfish-inspired soft robotlar, dielektrik elastomer aktüatörleri tarafından desteklenen, kablo bazlı bir şekilde hareket eden vücutları sessiz bir şekilde taşımak için esnek bir şekilde kullanabilir - mercan kayasız okyanus izleme için daha verimlidir.

Sensing ve Perception: Doğanın Transducers'inden Öğrenme

Bir mechatronic sistemi sadece duyusal geri bildirimler kadar yeteneklidir. Biyolojik sensörler genellikle hassas, dinamik aralıkta yapay olanları ve enerji verimliliğinde gösterir.Bu sistemleri inceleyerek mühendisler robot algısını zorlayan yeni transdüser geliştiriyorlar.

Vizyon ve Optik Akış

Böcek bileşik gözleri düşük çözünürlüklü ama son derece hassas optik akış yoluyla hareket ve mesafeye duyarlıdır - gözlemci hareket ettiği gibi retinadaki nesnelerin belirgin hareketi. Micro-air araçları, optik akışları ağır LIDAR olmadan yönlendirmek ve korumak için tıkanmak için hafif bir vizyon çiplerini kullanabilir.TheurFLT:0Centeye stereo-optik akış sensörü[Döneticileri görebilmek için).

Tactile ve Proprioceptive Sensing

İnsan parmağıtipi, birkaç mikrometre kadar iyi dokuları ayırt edebilir. Biyo-inspired tactile sensörler, MIT'den gelen Gelsight sistemi gibi, elastomerik jeller ve gömülü LEDler kullanarak iletişim halinde yüksek çözünürlüklü 3D yüzey topografiden kaçınabilmelerine yardımcı olabilir.Bu sensörler önceden bilgi olmadan hassas nesnelerle başa çıkma yeteneği verir - cerrahi robotlar ve gıda işleme ile donatılmış su robotları.

Kimyasal ve Akif Sensing

Böcekler, farmakopozları bulmak için filizler izler; koku-parça robotları metal-köksüz gaz sensörlerini birleştirir ve tüm karanlıklarda, buz raflarının altında çalışan veya son derece turbid sularında çalışırken, bu tür makineler, elektrotoksit sistemleri, ultrasonik pul pul pul pulsiyonlar ve yankıları haritaya yayarlar ve yankıları tamamen karanlıkta haritaya taşırlar.

Kontrol Mimarileri ve Biyo-Inspired AI

Bioinspiration, mechatronic sistemleri akıllı yapan kontrol yazılımına genişletilir. Doğa öğrenme, hafıza ve karar verme stratejileri, gömülü mikroişlemciler üzerinde çalışan algoritmaların içine çevrilmektedir.

Orta Desen Jeneratörleri ve Reflexive Control

Birçok ritim hareketi – yürüyüş, yüzme, nefes – hexapods ve yılan robotları için sabit devreler tarafından yönetiliyor. Robotikçiler CPG'leri arazi eğimi ve bariyer yoğunluğuna adapte etmek için izin vermeden önce, bir kaç parametreyi terk ederek, robotun geri çekilmesini gözlemleyebilmesini gözlemler.

Öğrenme ve Evrimsel Algoritmalar

Hayvanlar deneme ve hata yoluyla öğrenirler; robotlar aynı zamanda takviye öğrenme (RL) legged robotik, RL ajanlar, limb hareketlerini doğrudan fizik simülasyonlarından koordine etmeyi öğrenir, genellikle el analizli kontrolörlerin şekli ve gaitini simülasyonda gerçekleştirirler, sonra 3D-gerçek tekniklerle gerçek donanıma aktarılabilir. Evrimsel algoritmaların ilhamını Darwinci seçim, robot morfolojilerden ve kontrol parametrelerini aynı anda optimize eder.

Nöromorfik Hesaplama ve Spiking Neural Networks

von Neumann mimarisi üzerinde çalışan geleneksel sinir ağları, dramatik olarak daha düşük güç tüketimi ile güçlendirici verilerdir, onları bataryaya sürüklenmiş olan araca ve sualtı aksanıcıları için ideal hale getirebilir.A Loihi-güçlü drone, mikrosaniyelerde görsel engellere tepki verebilir.

Malzemeler ve Yumuşak Mechatronics: Robotlar Ne Zaman Olabilir

Katı bağlantılardan yumuşak, uyumlu yapılara geçiş, biyo-inspired mechatronics'te belirleyici bir gelişme olmuştur. Soft robotlar - elastomerlerden, hidrogels'ten inşa edilmiş ve şekli-memory alaşımları - insanların etrafındaki doğal güvenliği ve bilinmeyen şeklin nesnelere adapte edilebilirliği sürekli olarak ortaya koyar.

Kaos kolu bir asal ilhamdır: Kasır, kemiksiz ve sonsuz derece özgürleştirici bir bükme, bükme ve elongasyon. Mühendisler bunu post-saster senaryosu ile tekrarladılar.The based pnömatik aksiyoncular Tüm bunları baskıya maruz bıraktılar, kola tamamen yumuşak bir yumurta seçebiliyorlar.

Malzeme inovasyonu ayrıca kendini uyarlayıcı ve uyarlayıcı bir sertlik sağlar. Deniz salatası tarafından ilham edilen Hidrogel kompozitler, elektrik veya termal uyaranlar altında saniyeler içinde yumuşak ve katı devletler arasında geçiş yapabilir. Bu özellik, cerrahi robotun hassas bir doku ile değiştirilebilir ve sonra sert bir şekilde kesinti veya suratılışlar yapabilmesine izin verir. Biodegradable malzemeler, geçici elektronik bağlamında incelenebilir ve sonra çevresel algılayıcıları performansa doğru aktarabilir.

Gerçek Dünya Uygulamaları Across Industries

Biyo-tandırıcı robotlar araştırma laboratuvarlarından ticari ve alan dağıtımlarına kadar çok fazla bir şekilde taklit edilir. Onların eşsiz yetenekleri onları geleneksel otomasyona meydan okuyan görevler için uygun hale getirir.

Afet Cevap ve Arama veamp; Kurtarma

Depremden sonra, çökmüş yapıların içinden gezinebilme yeteneği, kameraları, mikrofonları ve düşük maliyetli robotları, onlarca taneden daha küçük bir ağ oluşturma ve hareket etmeye devam etme yeteneği, böceklerin ardından modellemek için modellemek, camları taşımak ve CO2 sensörlerinin hayatta kalanları bulmak için zararlı bir robotu taşıyabilir.

Sağlık ve Yardımcı Robotik

Prosthetics, insan elin aşırı yapısıyla yeniden şekillendirildi. Sinirli optik kontrol ile birlikte yapılan Biyonel eller, kullanıcıların bu cihazları sezgisel olarak çalıştırmalarına izin verir.In rehabilitasyon, Ekso Bmics suit, insan benzeri ortak profillerin nesneye yardımcı olmak için insan benzeri olmayan bağlantılarını kullanıyor.

Ameliyat için mikrorobotlar, bakteri bayrakella ve sperm tahriklerinden cüper alır. Helical manyetik yüzücüler, sadece birkaç milimetre uzunluğunda, düşük Wilson numaralarına ilaç sunmak için gözünüzün vitreous mizahı yoluyla veya kan damarlarından parmak izi ile, şu anda büyük cerrahi gerektiren koşullar için tür tedavilere söz verebilir.

Tarım ve Çevre İzleme

Bitkisel tarım, bitki sağlığını izleyen, zararlıları tespit eden ve pinpoint doğrulukla tedavileri uygulayabilecektir.Wonderler dikmelerden sonra, hiperspectral kameraları kullanarak erken belirtileri tespit etmek için, robotik arılar, Harvard'dan RoboBee gibi, bir gün seraptörleri veya yüksek değerli ürünlerle takviye edebilir, etik ve ekolojik etkiler araştırılabilir.Inwater glifiller, manta ışınları gibi şekillendirilebilir.

Industrial Otomasyon ve Lojistik

Fabrikalar, kontraksiyon bardakları veya redüksiyonlar olmadan cam panelleri seçmek için mikro ölçekli setleri kullanarak, ekranları elektronik üretimde kullanmak için mikro ölçekli kablolar ve rampalar kullanarak kullanmak için bir geçiş görüyor.

Teknik Zorluklar Kalan

İnanılmaz bir ilerlemeye rağmen, biyo-inspired robotikler yaygın kabul edilen sınırları kısıtlayan kalıcı engellerle karşı karşıyadır.

  • [FONT:0) Tasarım ve üretimin karmaşıklığı: Biyolojik yapılar genellikle uzaysal olarak çeşitli özellikleri olan onlarca malzeme birleştirir - kemik, bağ, kas ve deri. Multi-mal 3D baskı ilerliyorsa, ancak bir robotun sert olmayan bölgelerden esnek bir geçiş yapmak zor ve pahalı kalır.
  • [FONT:0) Enerji verimliliği ve güç tedariki:[Dönetici: 0,8|Dönderlik türü: Sualtı Kuşağı neredeyse sürekli olarak; genişletilmiş görevler için yapay bir hummingbird robotun pilleri son sadece birkaç dakika içinde, kablosuz güç transferleri veya ultra kapasitelendiriciler ve enerji depolamaları hala biyolojik kas metabolizmasının arkasındadır.
  • [FONT:0]Sensor dayanıklılık ve gürültü sağlamlığı: Devlet destekli sularda bile, robotlu bir balık, zaman içinde sinirsel bir müdahaleye karşı hassastır ve kendi kendini tanımlayan plastikliği ile eşandır.
  • [FONT:0)C ⁇ sınırları ve gerçek zamanlı öğrenme: Birçok biyo-inspired algoritmaları, batarya yaşamını ödün vermeden küçük bir robota sahip olmak için zor olan önemli bir hesaplama gerektirir. Nöromorphic donanım vaat eder, ancak gelişim ortamları ve olgun yazılım kütüphaneleri hala yanlıştır.
  • [FONT:0)Staj ve ölçeklenebilirlik:[Dönetici: [Dönetici:0) Kurulan iletişim protokolleri ve güvenlik standartları ile birlikte geleneksel endüstriyel robotlar, biyo-inspired robotları genellikle bir tek bir araştırma prototipleri gerektirir. Ticarileştirme, özellikle tıbbi ve hava uygulamaları için güvenilirlik testi gerektirir.

Etik ve Ekolojik Bakışlar

Biyokimyasal robotlar daha yetenekli hale geldikçe, etik sorular ön plana çıkıyor. Özerk swarm robotlarının dağıtımları mahremiyet, hesap verebilirlik ve güvenlik senaryolarında kullanılan potansiyel kötüye kullanımı konusunda endişeler yaratıyorlar. özellikle de robotlar, teknolojik olarak umut verici bir şekilde, biyolojik olarak başarılı olan zorluklar için değerlendirilmesi gerekiyor - önceden belirlenmiş olan biyolojik kirleticiler, ancak ürünleri önceden belirlenmiş olan biyoenerji ve malzemeler, yumuşak robotlarda kullanılan enerji ve malzemeler, özellikle de gelişmiştir.

Future: Disiplinlerin Yeniden İncelenmesi:

İleriye bakıldığında, biyo-inspired robotların yapay zeka, malzeme bilimi ile yakınlaştırılması ve biyolojinin kendisi yaşam ve yaşam dışı makineler arasındaki hattı bulanıklaştıracaktır. Birkaç sınır alanı ortaya çıkmaktadır.

Canlı biyohybrid robotları biyolojik dokuları entegre eder - kültür kas hücreleri veya ince kalıplar gibi - sentetik scaffolds. Illinois Üniversitesi'ndeki araştırmacılar, elektrik uyaranlara yanıt veren küçük yüzücüler inşa ettiler.Bu makineler doğal olarak biyodegradlanabilir ve mantıklıdır.

Bitki destekli yumuşak robotlar veya “plantoïdler”, bir gün bir robotun toprağa ve nezaretlere ittiği katkılarını genişleterek organik hesaplama devreleri olarak incelenebilir.Bu, yeraltı algılamasını mümkün olduğunca yüzeysel olarak hassas sulama ve toprak analizlerini doğru bir şekilde analiz eder.

Bu arada, evrimsel robotlar sadece bir ömür boyu öğrenmeyen makineler üretecek, ancak aynı zamanda tasarım nesiller boyunca başarılı özellikler taşıyacaktır. Generative design algoritmaları, bulut bilişim tarafından desteklenen, milyonlarca sanal prototipi değerlendirebilir, enerji verimliliği, yük kapasitesi veya engel müzakeresini seçebilirler, sonra CAD dosyaları katkı maddeleri üretimi için hazır hale gelir.

Biyo-inspired robotlarının interneti (IoT) ve bulut bilişimi daha da erişilebilir hale getirir.A filosu böceğiroach-inspired search-andrescue robotları gerçek zamanlı haritaları ağlarla paylaşabiliyor, merkezi sunucular arazi analizi için ağır bir hesaplama ile uyumlu hale getirir.

Sonuçta, biyoinspired robotlar insan toplumunda ubiquitous partnerler haline gelecektir – insanları değiştirmez, ancak biyolojinin çözümlerinin basitçe üstün olduğu görevleri yerine getirirler.Kampiyon makineleri için rüzgar türbinleri bıçakları, vücutları kullanarak yapılardan filtre mikroplastikler, hedefli ilaç taşıyıcıları olarak nasıl etkileşime gireceğiz.

Daha fazla araştırma için, son incelemeler:0)Bilim Robotik) ve İLFLT:2)Living Machines konferans işlemleri) Belirli biyo-yaşlı teknolojilere derin bir şekilde atfedilir.|Dışkan Mikrorobotik Lab[DÜye Olmayanlar İçin İleri Seviyeye Sahip Robotik Sistemler ve Yumuşak Robotik Ulaşımlar İçin İleride Gelen Teknolojiler[Döneticiler)