Moderna samhällen förlitar sig på robotteknologi för att utföra ett stort antal funktioner som är avgörande för att industriella tillverkningssystem ska fungera smidigt, såväl som till andra sektorer som byggverksamhet, sjukvård och transporter.

Dock, en viktig begränsning för de flesta robotar är det faktum att de bara kan utföra en repetitiv uppgift, som att plocka ett föremål från en soptunna och placera det på ett transportband eller borra hål enligt ett förinställt mönster.

Som ett erkännande av denna begränsning, forskare inom det framväxande området för adaptiv robotik fokuserar sin uppmärksamhet på hur robotar kan göras mer anpassningsbara – och med hjälp av mekaniska ingenjörsprinciper för att skapa avancerade enheter som kan omkonfigurera sig själva för att utföra ett antal olika funktioner. Till exempel, en drönare för flera ändamål som används för att inspektera energiinfrastruktur som oljeplattformar till havs eller vindkraftverk skulle kunna utrustas med gripteknik som gör det möjligt för den att sitta på strukturer och utföra närmare analyser i kraftiga vindar – såväl som vattentätningsförmåga och framdrivningsteknik som gör det möjligt att utföra grundinspektioner under havsytan.

Så vilka maskintekniska tekniker och tekniker används som en del av detta arbete? Vilka är de viktigaste nuvarande och potentiella tillämpningarna av adaptiv robotik? Och vilka innovationer och trender i användningen av maskintekniska system för adaptiv robotteknik kan vi förvänta oss under de närmaste åren?

Omkonfigurering

Ett av de mest intressanta nya initiativen på detta område är vid Colorado State University (CSU), där ett team av forskare har skapat ett antal små, lättviktsrobotar som kan omkonfigurera sig själva som svar på olika användarkrav. Som projektledare Dr Jianguo Zhao, biträdande professor i Adaptive Robotics Lab vid CSU, förklarar, hans arbete inom detta område delas in i tre huvudkategorier beroende på vilka manöverkrafter som används.

Den första är omkonfigurering av konstgjorda muskler, som involverar en undersökning av hur man kan utnyttja en billig konstgjord muskel gjord av hushållssytrådar för att förvandla formen på en given robot. Detta har resulterat i skapandet av en länk som kan flytta och hålla till en annan form utan extra energiinsats.

Den andra kategorin av arbete utforskar hur man kan utnyttja material med variabel styvhet för att omkonfigurera funktionerna hos en given robot – som en del av detta, Ph.D. eleven Jiefeng Sun har byggt en adaptiv gångrobot som kan uppnå flera benbanor.

Den tredje kategorin undersöker hur nya passiva mekanismer kan användas för att göra det möjligt för flygande robotar att sitta på väggar, kraftledningar eller tak – som en del av vilka, Ph.D. eleven Haijie Zhang har utvecklat en robot utrustad med en följsam och passiv gripare.

För att möjliggöra sådana adaptiva robotar, Zhao avslöjar att han har anammat en rad banbrytande mekaniktekniker, inklusive mekanism och maskindesign, datorstödd design, additiv tillverkning (3D-utskrift), kinematik och dynamik modellering, finita elementanalys och mekatronik. Ett exempel är en gårobot i miniatyr, som teamet har skapat med hjälp av multimaterial 3-D-utskrift, en teknik som kan trycka både mjuka och styva material i en enda del.

"I den här roboten, vi har använt det mjuka materialet för att fungera som följsamma rotationsfogar och det styva materialet för att fungera som länkar. I detta fall, vi kan skriva ut kroppen och de fyra benen för roboten som en enda del utan montering, " han säger.

"Vidare, för att analysera beteendet hos en sådan robot, vi etablerade de kinematiska och dynamiska modellerna för att förutsäga benbanorna och jämförde dem med de experimentella resultaten. Till sist, vi använde ett inbyggt system med mikrokontroller och trådlös kommunikation för att styra roboten."

Enligt Zhaos uppfattning, små robotar av denna typ har många fördelar jämfört med större och tyngre robotar. Till exempel, de kan komma åt och navigera i trånga eller trånga miljöer som stora robotar inte kan komma in i. Enligt honom, de kan också tillverkas till mycket lägre kostnader med hjälp av additiv tillverkning.

Trots dessa tydliga fördelar, Zhao medger att mindre robotar ofta tycker att det är mer utmanande att förflytta sig i många miljöer. För att ta itu med detta, han säger att det är bättre att utrusta dem med "flera rörelseförmåga" som att gå, krypande, hoppa eller flyga, med hjälp av en specialiserad mekanism för varje funktion.

"Dock, det är utmanande att packa flera specialiserade mekanismer med separata manöverdon i en liten storlek – och avkänning, beräkning och kontroll är också mer krävande. I detta fall, snarare än en specialiserad mekanism för varje funktion, en ny lösning är att möjliggöra adaptiva robotar som kan omkonfigurera sig själva som svar på ett behov, " han säger.

Klicka skalbaggar

Någon annanstans, ett team av forskare vid University of Illinois bedriver banbrytande forskning om klickbaggars rörelse i ett försök att inspirera mer smidiga och anpassningsbara robotar. Som en del av detta arbete, teamet har använt synkrotronröntgenstrålar vid den avancerade protonkällan i Argonne National Laboratory för att undersöka insektens inre spärr- eller snabbfrigöringsmekanism och visat hur en kombination av gångjärnsmorfologi och mekanik underlättar en unik klickmekanism.

Som Aimy Wissa, biträdande professor vid avdelningen för mekanisk vetenskap och ingenjörsvetenskap och chef för Bio-inspired Adaptive Morphology Lab vid University of Illinois Urbana-Champaign, förklarar, forskningen bygger på arbetet med att utforska klickbaggarnas benlösa självupprätande hoppmekanism. Som en del av denna övning, teamet har byggt prototyper av en gångjärnsliknande fjäderbelastad enhet som håller på att integreras i en robot.

Istället för att lita på deras ben, klickbaggar hoppar genom att böja hela kroppen medan de är i en inverterad position. Under denna fas, kallad kroppsböjning, " Insekten lagrar energi innan den släpper ut den i ett nästan vertikalt hopp - en handling som också hjälper skalbaggen att rätta sig själv om den faller i en omvänd position. Genom att undersöka fysiken i varelsens hopp, Illinois-teamet kunde utveckla en autonom självrättande robot – särskilt med fokus på skalningslagarna mellan skalbaggearterna och påverkan av insektens massaförhållande på dess hopp.

"Vi insåg snabbt att klickbaggar tillhör en klass av organismer som använder "kraftförstärkta" rörelsestrategier – de använder elastiska lagringselement för att lagra energi och frigöra den i mycket snabbare takt än vad muskler kan. Jag blev intresserad av möjligheten att använda sådana aktiveringsstrategier för att designa små robotar som är smidigare, kan återhämta sig från fall, och är kapabla till snabba manövrar, säger Wissa.

Genom att filma skalbaggar med höghastighetskameror, Illinois-teamet upptäckte att deras hopp kan delas upp i tre steg:förhoppningsstadiet, startsteget och det luftburna skedet. Som en del av förhoppningsstadiet, insekten böjer sin kropp och bibehåller positionen genom friktion samtidigt som den lagrar energi. Medan de fortfarande är i kontakt med marken, den börjar frigöra energi under startfasen genom att driva dess masscentrum uppåt. Under det efterföljande luftburna skedet, den svänger upp i luften – spårar en övergripande bana som följer en ballistisk rörelse när de separata kroppsenheterna roterar runt massans centrum. Använda data från live beetle-videor, Wissa och hennes team har också utvecklat två dynamiska modeller av startfasen och den luftburna fasen.

Under startfasen, varelsen modellerades också som en skjutreglage-vevmekanism som aktiveras vid gångjärnspunkten - och lagrangisk dynamik användes som en del av en preliminär tvåmassmodell för att simulera rotations- och translationsrörelsen som observerades av insekten när den var luftburen.

"Dessa förflyttningsstrategier är användbara som inspiration för nya aktiveringstekniker för applikationer som robotik och jordbruk, säger Wissa.

"När robotar blir allestädes närvarande i våra dagliga liv, de kommer att krävas för att bli uppdragsanpassningsbara. Samma plattform kommer att krävas för att spela olika roller. Till exempel, samma UAV [obemannade luftfarkoster, eller drönare] kommer att krävas för att bära nyttolast, undvika hinder, stanna kvar längre, och utföra flera manövrar. Därför adaptiva strukturer, eller strukturer som kan anpassa sin form och funktion till olika stimulantia, kommer att bli mer kritisk under de närmaste åren, " tillägger hon.

Multifunktionella robotar

Zhao förutspår att små adaptiva robotar kommer att ha många lovande tillämpningar, allt från "miljöövervakning och militär övervakning, att söka och rädda i katastrofområden." Han förväntar sig också att den lilla storleken möjliggör låg kostnad och ekonomisk produktion, öppnar upp möjligheten att distribuera dem för specifika nischapplikationer och att "automatiskt bilda mobila sensornätverk och arbeta tillsammans för att utföra givna uppgifter."

Ändå, Zhao betonar att två huvudutmaningar måste övervinnas för att möjliggöra adaptiva robotar. För det första, omkonfigureringsprocesser måste påskyndas för att uppnå vad han beskriver som "realtidsomkonfiguration". Omkonfigureringsprocessen för CSU-robotarna tar vanligtvis flera minuter att slutföra eftersom teamet behöver värma upp och kyla ner komponenterna som används för omkonfigurering. Detta är ett problem eftersom i vissa applikationer, såsom morphing vingar för flygande robotar, vingarna måste ändra form i realtid för att klara av olika aerodynamiska situationer.

För det andra, Zhao säger att forskare "fortfarande behöver upprätta ett grundläggande och teoretiskt ramverk för adaptiva robotar... om vi vill åstadkomma flera önskade konfigurationer, hur ska vi designa roboten korrekt samt specificera omkonfigureringsstrategin? Det finns inget tydligt svar på en så hög nivå fråga."

I ett försök att ta itu med den första utmaningen, Zhao förklarar att forskare kan utnyttja nya material som kräver mindre energi för att ändra styvheten, såsom legeringar med låg smältpunkt, som övergår från ett stelt tillstånd till ett mjukt tillstånd vid lägre temperaturer. För att ta itu med den andra utmaningen, han avslöjar att akademiker kan utveckla teoretiska ramverk för att förutsäga alla möjliga omkonfigurationer för en given design, och sedan "utnyttja beräkningssimuleringar för att syntetisera en design för att uppnå önskade konfigurationer."

"Blickar framåt, Jag tror att vi kommer att kunna åstadkomma adaptiva robotar som kan ha alla möjliga möjligheter, som att gå, flygande, simning eller klättring, under de närmaste åren. Detta kan uppnås genom att utnyttja det stora urvalet av digitalt material som 3D-utskrift erbjuder för att användas vid tillverkning av adaptiva robotar och miniatyrisering av olika mekatroniska komponenter – till exempel, sensorer, ställdon och mikrokontroller – såväl som högfientlighetssimuleringar av mekaniska system med heterogena material, speciellt för mjuka robotar gjorda av mjuka material, " han lägger till.