En mjuk robot, fäst vid en ballong och nedsänkt i en genomskinlig vattenpelare, dyk och ytor, sedan dyker och dyker upp igen, som en fisk som jagar flugor. Mjuka robotar har utfört den här typen av trick tidigare. Men till skillnad från de flesta mjuka robotar, denna är gjord och drivs utan hårda eller elektroniska delar. Inuti, en mjuk, gummidator talar om för ballongen när den ska gå upp eller ner. För första gången, denna robot förlitar sig uteslutande på mjuk digital logik.
Under det senaste årtiondet, mjuka robotar har vuxit in i robotens metalldominerande värld. Gripare gjorda av gummiartade silikonmaterial används redan i monteringslinjer:Dämpade klor hanterar ömtåliga frukter och grönsaker som tomater, selleri, och korvlänkar, eller extrahera flaskor och tröjor från lådor. I laboratorier, griparna kan plocka upp hala fiskar, levande möss, och även insekter, eliminerar behovet av mer mänsklig interaktion.
Mjuka robotar kräver redan enklare styrsystem än sina hårda motsvarigheter. Griparna är så följsamma, de kan helt enkelt inte utöva tillräckligt med tryck för att skada ett föremål och utan att behöva kalibrera tryck, det räcker med en enkel på-av-knapp. Men tills nu, de flesta mjuka robotar förlitar sig fortfarande på viss hårdvara:metallventiler öppnar och stänger luftkanaler som styr de gummiliknande griparna och armarna, och en dator talar om för ventilerna när de ska flytta.
Nu, Forskare har byggt en mjuk dator som bara använder gummi och luft. "Vi efterliknar tankeprocessen hos en elektronisk dator, använder endast mjuka material och pneumatiska signaler, ersätta elektronik med tryckluft, " säger Daniel J. Preston, första författare på en tidning publicerad i PNAS och en postdoktor som arbetar med George Whitesides, professorn vid Woodford L. och Ann A. Flowers University.
Att ta beslut, datorer använder digitala logiska grindar, elektroniska kretsar som tar emot meddelanden (ingångar) och bestämmer reaktioner (utgångar) baserat på deras programmering. Våra kretsar är inte så olika:När en läkare träffar en sena under vår knäskål (ingång), nervsystemet är programmerat att rycka vårt ben (output).
Prestons mjuka dator efterliknar detta system med hjälp av silikonslangar och tryckluft. För att uppnå de minsta typer av logiska grindar som krävs för komplexa operationer – i det här fallet, INTE, OCH, och ELLER—han programmerade de mjuka ventilerna att reagera på olika lufttryck. För den logiska porten INTE, till exempel, om ingången är högtryck, utgången kommer att vara lågtryck. Med dessa tre logiska grindar, Preston säger, "du kan replikera vilket beteende som helst på vilken elektronisk dator som helst."
Den guppande fiskliknande roboten i vattentanken, till exempel, använder en omgivningstrycksensor (en modifierad NOT-grind) för att avgöra vilken åtgärd som ska vidtas. Roboten dyker när kretsen känner av lågt tryck i toppen av tanken och dyker upp när den känner av högt tryck på djupet. Roboten kan också komma till ytan på kommando om någon trycker på en extern mjukknapp.
Robotar byggda med bara mjuka delar har flera fördelar. I industriella miljöer, som bilfabriker, massiva metallmaskiner arbetar med blind hastighet och kraft. Om en människa står i vägen, en hård robot kan orsaka irreparabel skada. Men om en mjuk robot stöter på en människa, Preston säger, "du skulle inte behöva oroa dig för skada eller ett katastrofalt misslyckande." De kan bara utöva så mycket kraft.
Men mjuka robotar är mer än bara säkrare:de är i allmänhet billigare och enklare att tillverka, lättvikt, motståndskraftig mot skador och frätande material, och hållbara. Lägg till intelligens och mjuka robotar kan användas till mycket mer än att bara hantera tomater. Till exempel, en robot kunde känna av en användares temperatur och ge en mjuk klämning för att indikera feber, larma en dykare när vattentrycket stiger för högt, eller tryck igenom skräp efter en naturkatastrof för att hjälpa till att hitta offer och erbjuda hjälp.
Mjuka robotar kan också våga sig där elektroniken kämpar:Höga strålningsfält, som de som produceras efter ett kärnkraftsfel eller i yttre rymden, och inuti magnetisk resonanstomografi (MRI) maskiner. I spåren av en orkan eller översvämning, en tålig mjuk robot kunde hantera farlig terräng och skadlig luft. "Om den blir överkörd av en bil, det bara fortsätter, vilket är något vi inte har med hårda robotar, " säger Preston.
Preston och kollegor är inte de första som styr robotar utan elektronik. Andra forskarlag har designat mikrofluidiska kretsar, som kan använda vätska och luft för att skapa icke-elektroniska logiska grindar. En mikrofluidisk oscillator hjälpte en mjuk bläckfiskformad robot att slå alla åtta armar.
Än, mikrofluidiska logiska kretsar är ofta beroende av hårda material som glas eller hårdplast, och de använder så tunna kanaler att endast små mängder luft kan röra sig genom åt gången, sakta ner robotens rörelse. I jämförelse, Prestons kanaler är större - nära en millimeter i diameter - vilket möjliggör mycket snabbare luftflöden. Hans luftbaserade gripdon kan greppa ett föremål på några sekunder.
Mikrofluidiska kretsar är också mindre energieffektiva. Även i vila, enheterna använder ett pneumatiskt motstånd, som strömmar luft från atmosfären till antingen en vakuum- eller tryckkälla för att upprätthålla stas. Prestons kretsar kräver ingen energitillförsel när de är vilande. Sådan energibesparing kan vara avgörande i nöd- eller katastrofsituationer där robotarna reser långt från en pålitlig energikälla.
Gummirobotarna erbjuder också en lockande möjlighet:Osynlighet. Beroende på vilket material Preston väljer, han skulle kunna designa en robot som är indexmatchad till ett specifikt ämne. Så, om han väljer ett material som kamouflerar i vatten, roboten verkar genomskinlig när den är nedsänkt. I framtiden, han och hans kollegor hoppas kunna skapa autonoma robotar som är osynliga för blotta ögat eller till och med ekolodsdetektering. "Det är bara en fråga om att välja rätt material, " han säger.
För Preston, rätt material är elastomerer (eller gummin). Medan andra områden jagar högre kraft med maskininlärning och artificiell intelligens, Whitesides-teamet vänder sig bort från den ökande komplexiteten. "Det finns mycket kapacitet där, "Preston säger, "men det är också bra att ta ett steg tillbaka och fundera på om det finns ett enklare sätt att göra saker på som ger dig samma resultat, speciellt om det inte bara är enklare, det är också billigare."
