Robotica morbida

La soft robotics (in inglese  : soft robotics ) è una robotica. Questo campo si occupa di "robot morbidi", inclusi alcuni tipi di droni , e costruiti con materiali o strutture flessibili, elastici o deformabili come silicone , plastica , gomma e altri polimeri , tessuti, ecc. O parti meccaniche deformabili utilizzate nella robotica , per esempio molle, elastici o ammortizzatori o antivibranti. Questo campo della robotica sembra generare a partire dall'inizio del XXI °  secolo, un crescente interesse e potrebbe contribuire a ridurre il prezzo di alcuni robot, e migliorare le risposte alla robotica classici a domande come "auto-guarigione" la resilienza o l'auto-replicazione .

Le applicazioni tecniche dei robot morbidi, eventualmente miniaturizzati, previste dai prospettivisti sono l'esplorazione di determinati ambienti morbidi (l'interno di un organismo, ad esempio), congestionati o privi di struttura, anche nelle scienze mediche e veterinarie (per una chirurgia meno invasiva in particolare) sarebbe apprezzata la chimica dei materiali biologici e quasi umani nel tempo libero e nei servizi, nonché nell'agricoltura e nell'allevamento dove sono "morbidi".

Storia

Di orologi , di automi e di giocattoli meccanici da diversi decenni utilizzano varie forme di molle e talvolta di pelle, tessuti che formano connessioni flessibili, o aria elastica ritorta o compressa in una fiaschetta come serbatoio di energia. Ma i polimeri necessari per realizzare robot veramente forti e durevoli sono disponibili solo da pochi decenni.

Per circa mezzo secolo, i robot industriali sono stati rigidi e piuttosto adatti a compiti veloci e ripetitivi. Nella loro costruzione venivano talvolta usati materiali più o meno flessibili o morbidi, ma spesso erano solo di secondaria importanza; erano riservati a cavi mobili, condotti fluidi, guaine di giunzione, sistemi di ventose (per la presa di oggetti fragili, ad esempio) o assorbimento degli urti, ecc. La fantascienza nei fumetti , nei romanzi e nei film ha reso popolari i robot che spesso hanno armature metalliche (o talvolta molto umanoidi , anche con una pelle sintetica ).

Dal 2009 al 2012 , la comparsa di siliconi tecnici, vari altri polimeri modellabili e materiali a memoria di forma ha permesso di esplorare nuove strade. L'uso di polimeri elettroattivi e la prospettiva di essere in grado di creare sistemi muscolari artificiali (compresi quelli a base di idrogel elettroattivo ), insieme al miglioramento regolare delle prestazioni delle stampanti 3D potrebbero, in particolare in connessione con lo sviluppo della biomimetica, stimolare lo sviluppo di robotica morbida che consente nuove abilità come compressione, allungamento, torsione, gonfiore, morphing, ecc. in modi che sarebbero impossibili con elementi rigidi della robotica classica.

Nel 2013 , nel corso di una conferenza internazionale dedicata alla intelligenza artificiale e poi in un articolo che riassume il loro punto di vista, Rolf Pfeifer ei suoi colleghi presso l'attuale morbida Università di Zurigo e robot biomimetici come la prossima generazione di "macchine intelligenti". " .

Recenti scoperte e dimostrazioni si sono anche (e ad esempio) concentrate su:

• "robotica gassosa" (che si concentra su robot più leggeri dell'aria)
• il vantaggio di appendici flessibili e prensili, come la proboscide o i tentacoli dell'elefante , eventualmente miniaturizzate; in questo caso, gli idrostati muscolari spesso costituiti quasi interamente da tessuto muscolare e connettivo possono cambiare forma se pressurizzati per osmosi , così come alcuni organi vegetali o fungini .
• un filo a carica automatica reso altamente elastico (imitando il principio delle gocce che ricoprono i fili di ragnatele)
• l'utilizzo di materiali semplici come granelli di sabbia può essere "modellato" tramite il principio della "  blocking transit  " ( jamming in inglese) per dare l'equivalente di una pinza robotica e un primo avvolgimento morbido che si può poi indurire a piacimento
• Materiali a memoria di forma
• compositi metallici polimerici ionici
• Elastomeri dielettrici (o DE per elastomeri dielettrici.
• l'uso della stampa 3D ad esempio per produrre un robot soft body senza cavo o batteria in cui un piccolo serbatoio di perossido di idrogeno funge da fonte di gas (che può essere attivato mettendo il perossido a contatto con un catalizzatore (platino) che può gonfiare un rete di camere pneumatiche stampate in 3D (ad esempio Octobot presentato nel 2016).

Gli esperti si aspettano robot in grado di autoripararsi, crescere, riciclare o biodegradarsi e possono configurare la loro morfologia per compiti e / o ambienti diversi.
I microrobot soft (possibilmente microscopici) sono attesi anche da alcuni (come logica conseguenza dell'incrocio tra soft robotics e miniaturizzazione) ma altri come (Jay) Kim si chiedono perché lo fanno; Ci sono motivi convincenti o motivanti per inventarli?

Sfide scientifiche

Secondo il gruppo IEEE.org, queste sfide sono interdisciplinari e alcune riguardano ancora la previsione  ; riguardano in particolare:

• grazie ai contributi della biomimetica gran parte degli esseri viventi è costituita da esseri morbidi, e quasi sempre lo sono anche gli organi interni.
• metodi e strumenti ( software ) per modellare e simulare "  organi robotici morbidi  " (possibilmente complessi e "monoblocco" stampati in 3D ); Molti robot hanno la forma di invertebrati, ma la robotica morbida può anche aiutare a creare robot umanoidi complessi .
• studi di materiali flessibili non convenzionali (ancora in fase esplorativa);
• l'inventario gerarchico dei materiali flessibili disponibili e utili o desiderabili per tutte o parte delle applicazioni robotiche (classiche e future);
• i migliori strumenti e metodi per la produzione e / o l'assemblaggio di questo tipo di robot;
• l'integrazione dei sensori che dovrebbero evolversi verso sensori “flessibili ed estensibili” (anche per un eventuale rivestimento fotovoltaico ) in una struttura più o meno elastica e deformabile;
• un azionamento rivisto per essere adattato al robot morbido, possibilmente “modulare” e / o migliorando sistemi di “adattamenti passivi” (risparmio energetico);
• auto-organizzazione interna e capacità di controllo distribuito
• sistemi di controllo completamente rivisti ( cobotici );
• la prototipazione , test (soprattutto di invecchiamento);
• rafforzamento e una migliore condivisione delle conoscenze tecnologiche e del know-how nella robotica flessibile;
• le possibilità di "autoriparazione", in connessione con problemi di resilienza  ;
• l' auto-replicazione  ;
• applicazioni per una "  robotica morbida  ".

Specificità robotiche

Un robot flessibile interagisce in modo diverso con il suo ambiente, perché può generare o subire deformazioni elastiche più o meno vincolate dalla sua morfologia, dalle sue dimensioni, dal grado di elasticità e dalla coerenza della sua struttura.

È spesso - ma non necessariamente - biomimetico (o bio-ispirato ) e sempre caratterizzato dall'utilizzo di materiali specifici.

I suoi attuatori sono in parte diversi o adattati.

Hanno svantaggi e vantaggi rispetto ai robot rigidi.

Svantaggi

• Il campo della robotica morbida è ancora molto emergente. Si è dimostrato valido solo con pochi prototipi. Ci sono pochi o nessun pezzo di ricambio o soft robot sul mercato e il finanziamento della R&S è ancora preferenzialmente orientato alla robotica classica;
• il comportamento dei materiali morbidi (e delle strutture flessibili, soprattutto quando complesse) è ad oggi molto più difficile da modellare rispetto a quello dei materiali duri, e di conseguenza più difficile da controllare e da far funzionare  ;
• Alcuni dei materiali morbidi che li costituiscono sono vulnerabili a determinati attacchi esterni (sebbene in alcuni casi il carattere “morbido” permetta anche di assorbire l'energia di urti o effetti di “pugni” e di proteggere il robot.

Benefici

• le strutture deformabili consentono a un robot morbido di adattarsi meglio a determinate circostanze o compiti dinamici, anche in un ambiente incerto (es. movimento in un fluido con forte turbolenza, locomozione su terreno irregolare e sconosciuto, azione di presa di un oggetto sagomato, peso sconosciuto e fragilità) .. o durante il contatto con un essere vivente o un organo (nel caso di un robot chirurgico o industriale);
• i rapidi progressi nell'iniezione di elastomeri, poi nella stampa 3D di alcuni elastomeri, permettono di stampare (e oggi stampare) miscele di polimeri elastici, di diversa elasticità, aprendo nuove possibilità; Sembra persino possibile in un prossimo futuro combinare polimeri sintetici con biopolimeri o con cellule viventi;
• Alcuni materiali morbidi ed elastici sono di interesse energetico: ad esempio materiali a cambiamento di fase, strutture deformabili ( molle per esempio) o memoria di forma o integrazione di un gas compresso possono anche teoricamente immagazzinare e quindi rilasciare una certa quantità di energia. Questa energia può essere utilizzata per i movimenti e i cambiamenti di forma del robot e / o può essere mobilitata per altri compiti;
• Dopo essere stati lacerati, forati o leggermente danneggiati, alcuni elastomeri costituiti da reti covalenti termoreversibili (chiamati “polimeri Diels-Alder” o “polimeri Diels-Alder” per anglofoni) possono (semplicemente essere leggermente riscaldati e poi raffreddati) riassemblati; Diventano quindi possibili buste o organi robotici capaci di auto-guarigione; I test pubblicati nel 2017 da Science Robotics dimostrano che i materiali possono così essere riparati dopo tagli, colpi e poi trovare, nonostante qualche cicatrice, una prestazione quasi completa, anche dopo due cicli di riparazione / guarigione. Questo è stato testato con successo per tre attuatori pneumatici robotici flessibili (un morsetto flessibile, una mano e muscoli artificiali) autoriparanti dopo lesioni mediante perforazione, lacerazione o colpi al polimero in questione;
• I materiali della robotica morbida possono essere molto meno costosi rispetto alle parti dure dei robot "classici".

Comunità scientifica

Alcuni elementi dei robot "classici" (industriali, militari, ecc.) Sono stati a lungo realizzati con materiali morbidi e talvolta elastici, ma l'idea di robot quasi interamente "morbidi" è recente. Associa nuovi tipi di modellazione alla robotica classica e discipline che erano solo poche, inclusa la chimica dei polimeri. I principi di progettazione e costruzione sono in gran parte da rivedere.

All'inizio degli anni 2010 , una comunità scientifica e tecnica internazionale si è riunita intorno all'idea di esplorare le strade aperte dalla robotica morbida, con:

• da ottobre 2012 un comitato tecnico IEEE RAS dedicato alla soft robotics ( IEEE RAS Technical Committee on Soft Robotics ) che si è posto il compito di coordinare la comunità di ricerca;
• dal 2014 viene pubblicata ogni tre mesi una rivista dedicata alla robotica deformabile.
• in Francia, un gruppo di ricerca INRIA ne ha fatto la sua specialità.

Innovazione

Una delle sfide, inclusa la riparazione dei robot flessibili, è avere una colla flessibile, elastica e impermeabile. Nel 2017 , i fisici universitari sono riusciti a produrre in laboratorio una colla cianoacrilica altamente elastica in grado di legare sostanze dure e / o morbide (compresi i componenti elettronici) agli idrogel (materiali di tipo “gel” utilizzati in alcuni dispositivi medici e robot. Flessibili). Questa scoperta potrebbe consentire la creazione di batterie e circuiti elettrici veramente elastici ed estensibili. Il cianoacrilato è associato a un componente organico (che, senza essere un solvente, si diffonde rapidamente nelle parti fuse in modo da evitare che diventino fragili). Premendo, la colla fa presa in pochi secondi. L'elasticità può raggiungere il 2000%.

Nel 2017, i ricercatori sono riusciti a sviluppare il primo robot morbido in grado di muoversi senza un motore o un sistema meccanico, un'innovazione che, utilizzando leghe di memoria , apre molte possibilità sia nella ricerca aerospaziale che in quella nanoscopica.

Note e riferimenti

1. Alin Albu-Schaffer, Oliver Eiberger, Markus Grebenstein, Sami Haddadin, Christian Ott, Thomas Wimbock, Sebastian Wolf e Gerd Hirzinger (2008) Soft robotics. Robotics & Automation Magazine, IEEE, 15 (3): 20-30
2. Trivedi D, Rahn CD, Kier WM & Walker ID (2008), la robotica soft: l'ispirazione biologica, lo stato dell'arte, e la ricerca futura , Bionics Applicata e biomeccanica, vol. 5, n. 3, pagg. 99–117 ( riassunto )
3. IEEE ICRA Workshop on "Soft Robots" , giugno 2014
4. Erico Guizzo & Evan Ackerman (2012) L'ascesa del robot lavoratore . Spectrum, IEEE, 49 (10): 34–41
5. S. Seok, CD Onal, K.-J. Cho, RJ Wood, D.Rus , S. Kim (2013), Meshworm: un robot morbido peristaltico con attuatori a bobina in nichel titanio antagonisti . IEEE ASME Trans. Meccatrone. 18, 1485–1497
6. Haines CS, Li N, Spinks GM, Aliev AE, Di J & Baughman RH (2016) Nuova svolta sui muscoli artificiali . Atti della National Academy of Sciences, 201605273.
7. Pfeifer, R., Marques, HG, e Iida, F. (2013). Soft robotics: the next generation of intelligent machines In Proceedings of the Twenty-Third international joint conference on Artificial Intelligence (pp. 5-11). AAAI Press, pubblicato nell'agosto 2013, consultato il 5 giugno 2016.
8. L. Margheri, C. Laschi e B. Mazzolai (2012) Braccio robotico morbido ispirato al polpo. io. dalle funzioni biologiche ai requisiti artificiali . Bioispirazione e biomimetica
9. scienza e il futuro Tentacoli robotici per manipolazioni delicate
10. Lecoeuvre C (2016) Biomimicry: infinitely estetchable materials , brief technology watch, pubblicato il 17/05/2016, secondo un articolo pubblicato il 16 maggio sulla rivista PNAS
11. Una pinza robotica (Versaball) di sabbia presentata al CES di Las Vegas  ; pubblicato il 06.01.15 consultato il 05-06-2016]
12. M. Yamakita, N. Kamamichi, T. Kozuki, K. Asaka e Z.-W. Luo (2005), Un robot da nuoto simile a un serpente che utilizza l'attuatore IPMC e la verifica dell'effetto doping , IEEE / RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems, 2005, Edmonton, Alberta, Canada, 2-6 agosto 2005 (IEEE).
13. A. Firouzeh, M. Ozmaeian & A. Alasty (2012), An deformable-ring-like robot. Smart Mater. Struct. 21, 065011
14. F. Carpi, S. Bauer, D. De Rossi (2010), Stretching dielectric elastomer performance . Science 330, 1759–1761
15. IA Anderson, TA Gisby, TG McKay, BM O'Brien, EP Calius (2012), Muscoli artificiali in elastomero dielettrico multifunzionale per macchine morbide e intelligenti . J. Appl. Phys. 112, 041101
16. X. Zhao, Z. Suo (2008), Metodo per analizzare la deformazione programmabile degli strati di elastomeri dielettrici . Appl. Phys. Lett. 93, 251902
17. L. Hines, K. Petersen, M. Sitti, Attuatori morbidi gonfiati con deformazioni stabili reversibili. Adv. Mater. 28, 3690-3696 (2016).
18. Kim, JA Hanna, M. Byun, CD Santangelo, RC Haywardn (2012) Designing responsive buckled surface by halftone gel lithography . Science 335, 1201–1205
19. L. Ionov (2014), Attuatori basati su idrogel: possibilità e limitazioni. Mater. Oggi 17, 494–503
20. Michael Price (2016) "Octobot", il primo robot Science al mondo dal corpo molle ; News / video del 24 agosto 2016
21. Michael Wehner, Ryan L. Truby, Daniel J. Fitzgerald, Bobak Mosadegh, George M. Whitesides, Jennifer A. Lewis e Robert J. Wood (2016) Una strategia integrata di progettazione e fabbricazione per robot completamente morbidi e autonomi  ; Nature 536, 451–455 (25 agosto 2016); doi: 10.1038 / nature19100
22. Cecilia Laschi, Barbara Mazzolai e Matteo Cianchetti (2016), Soft robotics: Tecnologie e sistemi che spingono i confini delle abilità robotiche  ; Robotica scientifica; 6 dicembre 2016: Vol.1, No.1, DOI: 10.1126 / scirobotics.aah3690 ( abstract )
23. Whitesides, Lab Chip 11: 191-193, 2011
24. Sessione speciale "Smart Materials and Actuators for Soft Robotics", nell'ambito della IEEE International Conference on Biomedical Robotics (BioRob 2012), giugno 2012
25. Wagner Andrew (2017) Guarda questo robot morbido guarire come Wolverine in: Technology doi: 10.1126 / science.aao6974 | 16 agosto 2017
26. Seppe Terryn, Joost Brancart, Dirk Lefeber, Guy Van Assche e Bram Vanderborght (2017), Robot pneumatici morbidi autoriparanti | Scienza robotica | 16 agosto 2017: Vol. 2, edizione 9, eaan4268 | DOI: 10.1126 / scirobotics.aan4268 | riassunto
27. "  Soft Robotics | Issue List  " , su online.liebertpub.com (consultato il 25 ottobre 2016 )
28. "  DEFROST - Deformable Robotic Software  " , su team.inria.fr (accesso 25 ottobre 2016 )
29. Ahmad Z (3017) La nuova "supercolla" potrebbe concludere l'affare per batterie estensibili, robot morbidi;  ; ChimicaTecnologia; DOI: 10.1126 / science.aan7008, 23 giugno 2017
30. Daniela Wirth, Robert Pichler, Michael Drack, Gerald Kettlguber, Richard Moser, Robert Gerstmayr, Florian Hartmann, Elke Bradt, Rainer Kaltseis, Christian M. Siket, Stefan E. Schausberger, Sabine Hild, Siegfried Bauer e Martin Kaltenbrunner (2017) Instant tenace incollaggio di idrogel per macchine soft ed elettronica; Science Advances 21 giugno 2017: Vol.3, n ° 6, e1700053 DOI: 10.1126 / sciadv.1700053 ( riepilogo )
31. Adrien Bertoni , "  Una rivoluzione per la scienza: questo robot morbido si muove senza motore né sistema meccanico  ", Daily Geek Show ,2017( leggi online , accesso 3 luglio 2017 )

Vedi anche

Articoli Correlati

• Robotica
• Cobotici
• Polimero elettroattivo
• Modellazione di robot
• Peristalsi
• Muscolo artificiale

Link esterno

• sito web softrobotics

Giornali internazionali

• Soft Robotics (SoRo) ( http://www.liebertpub.com/soro )
• Soft Robotics ( sezione di "Frontiers in Robotics and AI")

Bibliografia

• Iida, Fumiya & Laschi, Cecilia (2011) Soft robotics: Challenges and perspectives . Procedia Computer Science, 7 (0): 99-102, Atti della seconda conferenza ed esposizione 2011 sulle tecnologie future europee (FET 11).
• Pfeifer, Rolf, Lungarella max & FIida, Fumiya (2012) Le sfide future per la robotica "morbida" bio-ispirata . Comune. ACM, 55 (11): 76-87, novembre 2012
• Pfeifer R, Marques HG & Iida F (2013) Soft robotics: the next generation of intelligent machines In Proceedings of the Twenty-Third international joint conference on Artificial Intelligence (pp. 5-11). AAAI Press, pubblicato nell'agosto 2013, consultato il 5 giugno 2016.
• Trivedi D, Rahn CD, Kier WM & Walker ID (2008), Soft robotics: Biological inspiration, state of the art, and future research , Applied Bionics and Biomechanics, vol. 5, n. 3, pagg. 99–117 ( riassunto )