Що таке робот? Які загадки оточують розумні матеріали? Як ці елементи можуть глибоко вплинути на наше майбутнє існування? Це дослідження занурюється у приховані можливості робототехніки, зокрема м’якої розумної робототехніки. Ці інноваційні технології обіцяють революціонізувати наші уявлення про роботів та переосмислити їхню роль у допомозі людям та збереженні навколишнього середовища. Традиційно сприймаючись як вагомі, жорсткі автомати, майбутні роботи можуть перетворитися на штучні істоти з атрибутами, які не лише імітують, але й значно покращують можливості природніх організмів. Їхня м’якість та гнучкість роблять їх надзвичайно придатними для делікатних взаємодій, зокрема з анатомією людини. Ми також торкнемося нових концепцій, таких як біодеградація та конверсія відновлювальної енергії в нових роботах. Хоча остаточний шлях і кінцеві прояви цих нововведень залишаються невідомими, це обговорення пропонує захоплюючий погляд на глибокий вплив, який ці розробки можуть мати на стан людини.
Історичний контекст
Дев’ятнадцяте століття ознаменувалося сплеском промислових процесів та їх широким використанням. На початку століття Промислова революція йшла повним ходом і завершилася винаходами, такими як автомобіль та поява моторного польоту до кінця століття. Ці досягнення радикально змінили людське існування, перебудувавши соціально-економічні структури, що керували подорожами, охороною здоров’я, виробництвом, працею та домашнім життям. У ХХ столітті цей процес перетворення повторився, хоча і в прискореному темпі, через Технологічну революцію. Технології поширювалися з лабораторій та дослідницьких інститутів до домівок, що стало можливим завдяки досягненням в електроніці, телекомунікаціях, автоматизації та обчисленнях, які відрізнялися від механічних систем попереднього століття.
Роботична революція
Ми стоїмо на порозі чергового грандіозного технологічного зрушення: Роботичної революції. Ця нова ера позиціонує ХХІ століття як вирішальний етап в історії, який, без сумніву, вплине на наше життя і перетворить долі наступних поколінь.
Переосмислення роботів
Але що саме означає Роботична революція та які обіцянки вона несе? Щоб пояснити це, ми повинні дослідити визначення робота, поява розумних матеріалів, які можуть переосмислити це поняття, та їхні наслідки для людського життя та здоров’я навколишнього середовища. Промислова та Технологічна революції характеризувалися відмітними досягненнями в механічній та електричній сферах відповідно. На противагу, робототехніка синтезує механічні системи з електричними досягненнями та сміливими обчислювальними та інтелектуальними методологіями. Це поєднання існуючих і нових технологій відкриває шлях для розробки приголомшливого діапазону роботів і роботичних систем.
Роботи: від загрози Холодної війни до майбутніх рятівників
Роботи часто визначаються їхньою функціональною майстерністю — машина, здатна виконувати серію складних завдань автономно, особливо запрограмована за допомогою обчислювальних систем. Це визначення, притаманне звичайним роботам, подібним до тих, що у науковій фантастиці, глибоко формує наше розуміння та очікування потенціалів роботів. Культурні погляди на роботів, що впливають на такі визначення, різняться глобально. Наприклад, пошук в Google за словом “робот” англійською мовою переважно видає гуманоїдні, металеві та часто страхітливі або мілітаризовані зображення. Ці результати, спотворені культурними забобонами, що переважають у західних медіа, різко контрастують із більш дружніми та фантастичними зображеннями в японських пошуках, що відображає повоєнну культурну відвертість західних країн до мілітаризованих роботів та більш дружню перспективу в Японії. Ця дихотомія підкреслює різні траєкторії розвитку роботів: західна робототехніка, тісно пов’язана з військовими додатками, проти східних акцентів на допоміжних, медичних і промислових використаннях.
Переосмислення роботів
Поява інноваційних технологій надає нам можливість перевершити звичайні архетипи роботів. Немає внутрішньої необхідності, щоб роботи були гуманоїдними, мали кінцівки, ходили або говорили. Натомість поєднання розумних матеріалів, штучного інтелекту, біологічної інтеграції та робототехніки розмиває традиційні межі, віщуючи майбутнє, де робототехніка суттєво вплине на людство. Уявіть роботів, здатних до моніторингу та відновлення довкілля, нанороботів, спроектованих для ліквідації раку, піонерів для колонізації планет або компаньйонів, які зменшують самотність у літніх людей. Ці футуристичні роботи обіцяють проникнути у всі аспекти суспільства, досягаючи повсюдності.
До повсюдних роботичних організмів
Еволюція природи породила безліч організмів, що вміють виживати та процвітати в різноманітних, часто екстремальних, умовах. Зразки варіюються від тих, що витримують тиски, що перевищують ті, що в найглибших океанах і космосі, до екстремофілів, які витримують екстремальні температури та нестачу води десятиріччями. Людина складається приблизно з 30 трильйонів клітин, але приймає близько 40 трильйонів бактерій, що вказує на симбіотичну складність природного життя. Використовуючи подібні принципи, ми можемо створювати роботичні організми, здатні процвітати в широкому діапазоні середовищ та додатків, подібно до того, як природні організми досягають всюдисущості.
Штучні організми
Щоб досягти всюдисущості роботичних організмів, ми повинні не лише імітувати, але й перевершувати досягнення природи, використовуючи швидкий розвиток і адаптивні технології. Концептуалізуючи майбутніх роботів як штучні організми, ми можемо провести паралелі з їхніми біологічними аналогами, що складаються з тіла, мозку та шлунку. Біологічно перетворення енергії в шлунку підтримує м’язи та мозок, які керують контролем. Аналогічно, обчислювальна система робота дорівнює мозку, механічна структура представляє тіло, а джерело живлення (батарея, сонячна батарея) відображає шлунок. Ця парадигма заохочує інтегрування характеристик, таких як адаптація до навколишнього середовища, доброзичлива взаємодія, відтворення, розкладання та інше, сприяючи розвитку всюдисущих роботичних сутностей.
Розумні матеріали для м’яких роботів
Визначення розумних матеріалів
Розумні матеріали демонструють спостережувані зміни в одній сфері при стимулюванні через іншу, охоплюючи механічні, електричні, хімічні, оптичні та теплові сфери. Наприклад, термохромний матеріал змінює колір при нагріванні, тоді як електроактивний полімер створює механічний рух під впливом електричних факторів. Ці матеріали надають роботам, зокрема штучним організмам, нових можливостей. Робот, який призначений для відстеження хімічних речовин, може використовувати матеріал, що змінює свої електричні властивості при впливі хімічних речовин. Біодеградовані полімери дозволяють створювати роботів, які розчиняються після виконання задач, забезпечуючи біосумісність. “Розумність” цих матеріалів можна виміряти через їх чутливість, маневреність та складність. Комбінування кількох розумних матеріалів у межах одного робота може експонентно збільшити його функціональний інтелект.
Застосування розумних матеріалів
Розумні матеріали включають тверді форми, як п’єзокераміка, гнучкі типи, як сплави з пам’яттю форми, м’які варіанти, такі як діелектричні еластомери, і навіть рідкі форми, як ферорідини та електрореологічні рідини. Ці матеріали імітують фізичні властивості біологічних тканин, включаючи жорсткість, еластичність та в’язкість. Важливо зазначити, що жодний біологічний організм, від комах з екзоскелетами до ссавців, не є абсолютно жорстким. М’які тканини, як м’язи, забезпечують рух у більшості тварин, що видно на прикладі жорсткого тіла таргана з гнучкими кінцівками. У тваринному світі є також переважно м’якотілі види, такі як черви, слимаки та восьминоги, які використовують свою гнучкість, щоб згинатися, уникати і пересуватися. Наприклад, восьминіг може витягтися через отвори, значно вужчі за його тіло, одночасно демонструючи потужні та гнучкі маніпуляційні здібності. Ці досягнення стають можливими через м’які м’язові тканини та гідравлічні принципи, що дозволяють контрольовану зміну жорсткості.
Технологічні досягнення
Натхненні природою, ми прагнемо відтворити та покращити ці можливості у роботичних системах. Сучасні технології м’якої робототехніки можна розділити на гідравлічні та пневматичні системи, розумні матеріали-актуатори та сенсори, і матеріали, що змінюють жорсткість. Гідравлічні та пневматичні системи, як пневматичні плетені актуатори, забезпечують суттєві досягнення, але стикаються з обмеженнями через залежність від зовнішніх насосів і резервуарів. Більш передовий підхід включає монолітні пневматичні структури, такі як пневонети, які, незважаючи на свій потенціал, обтяжені подібними проблемами ваги та об’єму.
Перспективи на майбутнє
Оптимальний розвиток вимагає відмови від громіздких додаткових пристроїв на користь систем, що використовують електричні, теплові або фотонні ефекти. Електроактивні полімери (EAPs), наприклад, перетворюють електричну енергію в механічну деформацію. Актуатори з діелектричних еластомерів (DEAs), що складаються з еластомеру між гнучкими електродами, деформуються під впливом електричних полів, забезпечуючи високу потужність, схожу на біологічні м’язи. Незважаючи на труднощі у виготовленні тонких, бездефектних шарів, DEAs обіцяють перспективи для носимих допоміжних пристроїв і роботичних організмів.
На противагу, іонні полімерні актуатори (IPAs) працюють шляхом міграції іонів під впливом електричних полів, що викликає асиметричне розширення електродів і, як наслідок, вигин. Хоча IPAs потребують менших напруг, вони генерують меншу силу. Нові претенденти, як спіралі з нейлону, стискаються під час нагрівання, хоча вони обмежені повільними тепловими циклами. З іншого боку, DEAs та IPAs продемонстрували високо частотну роботу, підказуючи потенціал для динамічних додатків.
Нарешті, матеріали, що змінюють жорсткість, як полімери з пам’яттю форми (SMPs), переходять між ригідними та гнучкими станами, запам’ятовуючи запрограмовані форми. Поєднання SMPs з подібними актуаторами відкриває можливості для багатофункціональних, чутливих роботичних структур. Гранулярне поєднання, що використовує вакуумну модуляцію жорсткості, пропонує бінарні м’які-жорсткі переходи, придатні для носимих та дослідницьких додатків.
Роботи там, де ви їх не очікуєте
Розумна шкіра
Гнучкість м’яких роботів робить їх ідеальними для безпечної взаємодії з біологічними тканинами. Інтеграція розумних матеріалів зі шкірою людини привела до перспективних розробок функціональної другої шкіри та розумних пов’язок, що покращують загоєння та запобігають мікробній
