Мягкая растущая робототехника

Мягкая растущая робототехника — это разновидность мягкой робототехники, занимающаяся проектированием и созданием роботов, которые используют расширение тела робота для перемещения и взаимодействия с окружающей средой.

Мягкорастущие роботы созданы из совместимых материалов и пытаются имитировать то, как виноградные лозы, побеги растений и другие организмы достигают новых мест в процессе роста. В то время как другие формы роботов используют передвижение для достижения своих целей, мягкие растущие роботы удлиняют свое тело за счет добавления нового материала или расширения материала. Это дает им возможность путешествовать по ограниченным территориям и формировать широкий спектр полезных трехмерных образований. ^{[ 1 ]} В настоящее время существует две основные конструкции роботов для мягкого выращивания: аддитивное производство и удлинение наконечника. ^{[ 2 ]}^{[ 3 ]} Некоторые цели развития мягкой растущей робототехники — создание роботов, которые могут исследовать ограниченные области и улучшать хирургические процедуры. ^{[ 4 ]}^{[ 5 ]}^{[ 6 ]}

Аддитивное производство

Одним из способов расширения корпуса робота является аддитивное производство. Аддитивное производство обычно относится к 3D-печати или изготовлению трехмерных объектов путем соединения многих слоев материала. ^{[ 7 ]} При аддитивном производстве мягко растущего робота используется модифицированный 3D-принтер на кончике робота для нанесения термопласта (материала, который является жестким при охлаждении и гибким при нагревании) для расширения робота в желаемой ориентации. ^{[ 3 ]}

Конструктивные характеристики

Корпус робота состоит из:

Основание, на котором хранится блок питания, монтажная плата и катушка с термопластической нитью.
Трубчатый корпус различной длины, созданный методом аддитивного производства и выступающий наружу от основания.
Наконечник, на который наносится новый материал для удлинения трубчатого корпуса и размещения датчиков.

В процессе аддитивного производства нить из полимолочной кислоты (термопластик) протягивается через трубчатый корпус робота с помощью двигателя на наконечнике. На кончике нить проходит через нагревательный элемент, что делает ее гибкой. Затем нить поворачивают перпендикулярно направлению роста робота и наносят на внешний край вращающегося диска, обращенный к основанию робота. Когда диск (известный как осаждающая головка) вращается, новая нить осаждается спиральными слоями. Эта нить затвердевает перед предыдущим слоем нити, толкая кончик робота вперед. ^{[ 3 ]} Взаимодействие между температурой нагревательного элемента, вращением осаждающей головки и скоростью подачи нити через нагревательный элемент точно контролируется, чтобы обеспечить рост робота желаемым образом. ^{[ 8 ]}

Контроль движения

Скорость робота контролируется путем изменения температуры нагревательного элемента, скорости подачи нити через нагревательный элемент и скорости вращения осаждающей головки. Скорость можно определить как функцию:

$S={\frac {L_{d}}{\sqrt {{\frac {1}{(\tan \alpha )^{2}}}+1}}}$

Где $L_{d}$ – толщина нанесенного слоя нити, $\alpha$ - угол спирали, под которой осаждается материал нити.

Контролировать направление роста (и, следовательно, направление «движения» робота) можно двумя способами:

Изменение толщины нити, наносимой на одну сторону осаждающей головки (наклон кончика в сторону от этой стороны).
Изменение количества слоев нити на одной стороне осаждающей головки путем частичного поворота осаждающего диска для добавления дополнительного материала в этот сектор (наклон кончика в сторону с дополнительными слоями нити). Например, диск обычно может вращаться по часовой стрелке, вращаться против часовой стрелки на 1 радиан, а затем возобновлять вращение по часовой стрелке. Это добавит два дополнительных слоя материала в секцию 1 радиан. ^{[ 3 ]}

Возможности

Одним из основных преимуществ мягких растущих роботов является минимальное трение между внешней средой и роботом. Это связано с тем, что относительно окружающей среды движется только кончик робота. ^{[ 3 ]}^{[ 9 ]} Несколько роботов, использующих аддитивное производство для роста, были разработаны для зарывания в почву, поскольку меньшее трение с окружающей средой снижает энергию, необходимую для перемещения в окружающей среде.

. ^{[ 3 ]}^{[ 8 ]}

Непогруженный в воду один робот смог расти со скоростью 1,8-4 мм/мин. с максимальной скоростью изгиба 1,28 градуса в минуту и усилием нарастания до 6 кг. ^{[ 3 ]}
Непогруженный в воду второй прототип смог расти со скоростью 3-4 мм/мин. а также пассивный поворот на 40 градусов с вероятностью успеха 100% и на 50 градусов с вероятностью успеха 60% (где пассивный поворот означает, что робот превратился в наклонную стену, а свойства термопластической нити, используемой для изгиба робота в желаемом направлении, направление). ^{[ 8 ]}

Дизайн расширения наконечника

Вторая форма конструкции мягкорастущего робота — удлинение наконечника. Эта конструкция характеризуется трубкой из материала (обычные материалы включают нейлоновую ткань, полиэтилен низкой плотности и с силиконовым покрытием нейлон ). ^{[ 10 ]}^{[ 4 ]}^{[ 9 ]} находится под давлением воздуха или воды, которая свернута сама в себя. Выпуская сложенный материал, робот выдвигается из кончика, когда трубка под давлением выталкивает внутренний сложенный материал. ^{[ 2 ]}^{[ 10 ]}^{[ 4 ]}

Конструктивные характеристики

В отличие от аддитивного производства, где новый материал наносится за кончиком робота, чтобы продвинуть наконечник вперед, удлинение наконечника использует внутреннее давление внутри корпуса робота для выталкивания нового материала из кончика робота. Часто трубки внутри корпуса робота хранятся на катушке, чтобы облегчить контроль высвобождения трубок и, следовательно, роста робота. ^{[ 2 ]}^{[ 4 ]}

Было разработано несколько методов поворота робота с удлинением наконечника. Они включают в себя:

Защемление внутренней трубки материала корпуса робота и фиксация защемленного материала защелками. Чтобы повернуть робота, защелка открывается, освобождая больше материала корпуса робота с одной стороны робота. Внутреннее давление заставляет дополнительный материал надуваться, делая одну сторону робота длиннее другой и поворачивая робота в сторону от более длинной стороны. Чтобы вырастить робота прямо, ни одна из защелок не освобождается или все защелки не освобождаются. Защелки управляются посредством их размещения во втором наборе надувных трубок, прикрепленных к основному материалу корпуса робота.
- Если трубка защелки не надута, защелка никогда не откроется, поскольку внутреннее давление корпуса робота заставляет ее закрыться.
- Если трубка защелки надута и защелка находится на прямой части корпуса робота, защелка не откроется из-за наклона угловых взаимосвязанных крючков защелки.
- Если трубка защелки надута и защелка находится на кончике робота, изгиб кончика позволяет блокирующим крючкам скользить мимо друг друга и открывать защелку. ^{[ 10 ]}
Добавление второго набора надувных трубок по бокам корпуса робота. Эту трубку периодически зажимают по всей длине, так что при надувании трубка сжимается в продольном направлении. Чтобы повернуть робота, один комплект трубок надувается, в результате чего трубки сжимаются по длине корпуса робота и поворачивают корпус робота в направлении надутой трубки. ^{[ 2 ]}

Роботы, в которых используется конструкция с удлинением наконечника, являются убирающимися. В современных конструкциях к кончику робота прикреплена проволока, которая используется для втягивания кончика робота обратно в корпус робота. ^{[ 4 ]}^{[ 10 ]}

Математический анализ

Теоретическая сила, под которой растет кончик, может быть смоделирована как:

$F_{driving}=PA$

Где $F_{driving}$ представляет собой силу, под которой растет кончик, $P$ представляет собой внутреннее давление, и $A$ представляет собой площадь поперечного сечения наконечника робота. Однако экспериментальная сила, под действием которой расширяется наконечник, оказалась меньше этой, в основном из-за осевого напряжения в корпусе робота. Модель, которая приближается $F_{driving}$ точнее это:

$F_{driving}=PAk-[YA+F_{v}]-[F_{l}+\Sigma _{i}F_{Ci}]$

Здесь, $k$ – экспериментально определенная константа и $Y$ давление урожайности, когда роста не происходит. $F_{v}$ , $F_{l}$ , и $F_{Ci}$ , — это силовые условия, зависящие от скорости, длины и кривизны робота соответственно. ^{[ 9 ]}^{[ 11 ]}

Кроме того, было разработано множество математических моделей для различных форм поворота, скручивания и втягивания. ^{[ 2 ]}^{[ 1 ]}^{[ 4 ]}

Методы работы робота

Мягкорастущими роботами можно управлять различными способами в зависимости от того, насколько хорошо определены цель и путь роста. Без четко определенной цели или пути развития робота телеоперация используется . Когда существует четко определенная цель (например, источник света), компьютерное зрение можно использовать, чтобы найти путь к цели и вырастить робота по этому пути. ^{[ 2 ]} Если желаемый путь роста робота известен до его развертывания, для управления роботом можно использовать заранее запланированные положения поворота. ^{[ 11 ]}

Телеоперация: человек-оператор контролирует рост, скорость и поворот робота. Это можно сделать либо оператором, наблюдающим за роботом, либо оператором, использующим бортовую камеру.

Компьютерное зрение: использование камеры и программного обеспечения для обнаружения заранее определенной цели и автономного направления робота к цели. ^{[ 2 ]}

Заранее определенные положения поворота. Благодаря конструкции поворотной защелки защелки можно сделать так, чтобы они открывались в заранее запланированное время, заставляя робота расти в заранее запланированных формах. ^{[ 11 ]}

Приложения

Возможные применения мягких растущих роботов сосредоточены на их низком трении/взаимодействии с окружающей средой, простом методе роста и их способности расти в стесненных условиях.

Исследование кораллового рифа:
- Мягкорастущие роботы потенциально способны расти в проходах рифов с помощью датчиков (оптических, дистанционных и т. д.), не повреждая риф. ^{[ 4 ]}
В качестве опорной конструкции для антенны:
- Мягкорастущий робот может вырасти в спиральную конфигурацию с прикрепленной к ней антенной, что является оптимальной конфигурацией для работы антенны. ^{[ 11 ]}

Хирургические процедуры:
- Минимально-инвазивная хирургия включает в себя медицинские процедуры в чувствительной, ограниченной среде (человеческом теле), которая хорошо подходит для гибкости и управляемости мягких растущих роботов. ^{[ 6 ]}

Зарывшись в землю:
- Поскольку во время копания трение испытывает только кончик тела мягкого растущего робота, мягкие растущие роботы могут быть более энергоэффективными, чем другие методы копания, которые предполагают перемещение всего тела робота относительно окружающей среды. ^{[ 3 ]}^{[ 8 ]}^{[ 9 ]}

Ссылки

^ Jump up to: ^а ^б Блюменшайн, Лаура Х.; Усевич, Натан С.; Делай, Брайан Х.; Хоукс, Эллиот В.; Окамура, Эллисон М. (апрель 2018 г.). «Винтовое приведение в действие мягкого надутого тела робота». Международная конференция IEEE по мягкой робототехнике (RoboSoft) 2018 . IEEE. стр. 245–252. дои : 10.1109/robosoft.2018.8404927 . ISBN 9781538645161 . S2CID 49652555 .
^ Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г Грир, Джозеф Д.; Моримото, Таня К.; Окамура, Эллисон М .; Хоукс, Эллиот В. (февраль 2019 г.). «Мягкий, управляемый робот непрерывного действия, который растет за счет удлинения наконечника» . Мягкая робототехника . 6 (1): 95–108. дои : 10.1089/соро.2018.0034 . ISSN 2169-5172 . ПМИД 30339050 . S2CID 53015779 .
^ Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г ^час Садеги, Али; Мондини, Алессио; Маццолаи, Барбара (15 мая 2017 г.). «На пути к саморастущим мягким роботам, вдохновленным корнями растений и основанным на технологиях аддитивного производства» . Мягкая робототехника . 4 (3): 211–223. дои : 10.1089/соро.2016.0080 . ISSN 2169-5172 . ПМЦ 5649421 . ПМИД 29062628 .
^ Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г Луонг, Джейми; Глик, Пол; Онг, Аарон; де Врис, Майя С.; Сандин, Стюарт; Хоукс, Эллиот В.; Толли, Майкл Т. (апрель 2019 г.). «Выворот и втягивание мягкого робота для исследования коралловых рифов» . 2019 2-я Международная конференция IEEE по мягкой робототехнике (RoboSoft) . IEEE. стр. 801–807. дои : 10.1109/robosoft.2019.8722730 . ISBN 9781538692608 . S2CID 169032075 .
^ Университет, Стэнфорд (19 июля 2017 г.). «Исследователи Стэнфорда разрабатывают новый тип мягкого растущего робота» . Стэнфордские новости . Проверено 15 октября 2019 г.
^ Jump up to: ^а ^б Рансимен, Марк; Дарзи, Ара; Милонас, Джордж П. (28 марта 2019 г.). «Мягкая робототехника в малоинвазивной хирургии» . Мягкая робототехника . 6 (4): 423–443. дои : 10.1089/соро.2018.0136 . ISSN 2169-5172 . ПМК 6690729 . ПМИД 30920355 .
^ Ву, Тао; Чжан, Сяоцинь; Цзи, Чжунъин; Ван, Сяолун; Лю, Вэйминь (15 октября 2019 г.) . Архитектуры с прямым письмом чернилами с использованием ультрафиолета» . Материалы и дизайн . 180 : 107947. doi : 10.1016/j.matdes.2019.107947 . ISSN 0264-1275 .
^ Jump up to: ^а ^б ^с ^д Садеги, Али; Дель Дотторе, Эмануэла; Мондини, Алессио; Маццолаи, Барбара (2020). «Пассивная морфологическая адаптация для предотвращения препятствий в саморастущем роботе, созданном методом аддитивного производства» . Мягкая робототехника . 7 (1): 85–94. дои : 10.1089/соро.2019.0025 . ISSN 2169-5172 . ПМК 7049936 . ПМИД 31592712 .
^ Jump up to: ^а ^б ^с ^д Наклерио, Северная Дакота; Хубицкий, CM; Айдын, Ю.О.; Гольдман, Д.И.; Хоукс, EW (октябрь 2018 г.). «Мягкое роботизированное устройство для закапывания с удлинением наконечника и псевдоожижением гранул». Международная конференция IEEE/RSJ по интеллектуальным роботам и системам (IROS) 2018 г. стр. 5918–5923. дои : 10.1109/IROS.2018.8593530 . ISBN 978-1-5386-8094-0 . S2CID 57754473 .
^ Jump up to: ^а ^б ^с ^д Хоукс, Эллиот В.; Блюменшайн, Лаура Х.; Грир, Джозеф Д.; Окамура, Эллисон М. (19 июля 2017 г.). «Мягкий робот, который ориентируется в окружающей среде посредством роста» . Научная робототехника . 2 (8): eaan3028. doi : 10.1126/scirobotics.aan3028 . ISSN 2470-9476 . ПМИД 33157883 .
^ Jump up to: ^а ^б ^с ^д Блюменшайн, Лаура Х.; Окамура, Эллисон М .; Хоукс, Эллиот В. (2017), «Моделирование биоинспирированного апикального расширения в мягком роботе», Биомиметические и биогибридные системы , Конспекты лекций по информатике, том. 10384, Springer International Publishing, стр. 522–531, номер doi : 10.1007/978-3-319-63537-8_45 , ISBN. 9783319635361

[:2-1] Jump up to: ^а ^б Блюменшайн, Лаура Х.; Усевич, Натан С.; Делай, Брайан Х.; Хоукс, Эллиот В.; Окамура, Эллисон М. (апрель 2018 г.). «Винтовое приведение в действие мягкого надутого тела робота». Международная конференция IEEE по мягкой робототехнике (RoboSoft) 2018 . IEEE. стр. 245–252. дои : 10.1109/robosoft.2018.8404927 . ISBN 9781538645161 . S2CID 49652555 .

[Steerable-2] Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г Грир, Джозеф Д.; Моримото, Таня К.; Окамура, Эллисон М .; Хоукс, Эллиот В. (февраль 2019 г.). «Мягкий, управляемый робот непрерывного действия, который растет за счет удлинения наконечника» . Мягкая робототехника . 6 (1): 95–108. дои : 10.1089/соро.2018.0034 . ISSN 2169-5172 . ПМИД 30339050 . S2CID 53015779 .

[:0-3] Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г ^час Садеги, Али; Мондини, Алессио; Маццолаи, Барбара (15 мая 2017 г.). «На пути к саморастущим мягким роботам, вдохновленным корнями растений и основанным на технологиях аддитивного производства» . Мягкая робототехника . 4 (3): 211–223. дои : 10.1089/соро.2016.0080 . ISSN 2169-5172 . ПМЦ 5649421 . ПМИД 29062628 .

[:3-4] Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г Луонг, Джейми; Глик, Пол; Онг, Аарон; де Врис, Майя С.; Сандин, Стюарт; Хоукс, Эллиот В.; Толли, Майкл Т. (апрель 2019 г.). «Выворот и втягивание мягкого робота для исследования коралловых рифов» . 2019 2-я Международная конференция IEEE по мягкой робототехнике (RoboSoft) . IEEE. стр. 801–807. дои : 10.1109/robosoft.2019.8722730 . ISBN 9781538692608 . S2CID 169032075 .

[5] Университет, Стэнфорд (19 июля 2017 г.). «Исследователи Стэнфорда разрабатывают новый тип мягкого растущего робота» . Стэнфордские новости . Проверено 15 октября 2019 г.

[:4-6] Jump up to: ^а ^б Рансимен, Марк; Дарзи, Ара; Милонас, Джордж П. (28 марта 2019 г.). «Мягкая робототехника в малоинвазивной хирургии» . Мягкая робототехника . 6 (4): 423–443. дои : 10.1089/соро.2018.0136 . ISSN 2169-5172 . ПМК 6690729 . ПМИД 30920355 .

[:5-7] Ву, Тао; Чжан, Сяоцинь; Цзи, Чжунъин; Ван, Сяолун; Лю, Вэйминь (15 октября 2019 г.) . Архитектуры с прямым письмом чернилами с использованием ультрафиолета» . Материалы и дизайн . 180 : 107947. doi : 10.1016/j.matdes.2019.107947 . ISSN 0264-1275 .

[:1-8] Jump up to: ^а ^б ^с ^д Садеги, Али; Дель Дотторе, Эмануэла; Мондини, Алессио; Маццолаи, Барбара (2020). «Пассивная морфологическая адаптация для предотвращения препятствий в саморастущем роботе, созданном методом аддитивного производства» . Мягкая робототехника . 7 (1): 85–94. дои : 10.1089/соро.2019.0025 . ISSN 2169-5172 . ПМК 7049936 . ПМИД 31592712 .

[:6-9] Jump up to: ^а ^б ^с ^д Наклерио, Северная Дакота; Хубицкий, CM; Айдын, Ю.О.; Гольдман, Д.И.; Хоукс, EW (октябрь 2018 г.). «Мягкое роботизированное устройство для закапывания с удлинением наконечника и псевдоожижением гранул». Международная конференция IEEE/RSJ по интеллектуальным роботам и системам (IROS) 2018 г. стр. 5918–5923. дои : 10.1109/IROS.2018.8593530 . ISBN 978-1-5386-8094-0 . S2CID 57754473 .

[A-10] Jump up to: ^а ^б ^с ^д Хоукс, Эллиот В.; Блюменшайн, Лаура Х.; Грир, Джозеф Д.; Окамура, Эллисон М. (19 июля 2017 г.). «Мягкий робот, который ориентируется в окружающей среде посредством роста» . Научная робототехника . 2 (8): eaan3028. doi : 10.1126/scirobotics.aan3028 . ISSN 2470-9476 . ПМИД 33157883 .

[:7-11] Jump up to: ^а ^б ^с ^д Блюменшайн, Лаура Х.; Окамура, Эллисон М .; Хоукс, Эллиот В. (2017), «Моделирование биоинспирированного апикального расширения в мягком роботе», Биомиметические и биогибридные системы , Конспекты лекций по информатике, том. 10384, Springer International Publishing, стр. 522–531, номер doi : 10.1007/978-3-319-63537-8_45 , ISBN. 9783319635361

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]

[ 9 ]

[ 10 ]

[ 11 ]

v т и Робототехника
Основные статьи	Контур Глоссарий Индекс История География зал славы Этика Законы Соревнования AI-соревнования
Типы	Аэробот Антропоморфный Гуманоид Андроид Киборг Гиноид Клейтроника Компаньон Автомат Аниматроник Аудио-Аниматроника Промышленный шарнирно-сочлененный рука Одомашненный Образовательный Развлечение Жонглирование Военный Медицинский Услуга Инвалидность Сельскохозяйственный Общественное питание Розничная торговля ЛУЧ робототехники Мягкая робототехника
Классификации	Биороботика Облачная робототехника Континуумный робот Беспилотный автомобиль антенна земля Мобильный робот Микроботика Наноробототехника Некроботика Роботизированный космический корабль Космический зонд Рой Телеробототехника Подводный дистанционно управляемый Роботизированная рыба
Передвижение	Треки Прогулка Шестиногий Восхождение Электрический одноколесный велосипед Роботизированные плавники
Навигация и картографирование	Планирование движения Одновременная локализация и картографирование Визуальная одометрия Роботизированные системы с визуальным управлением
Исследовать	Эволюционный Комплекты Симулятор Люкс с открытым исходным кодом Программное обеспечение Адаптируемый развивающий Взаимодействие человека и робота Парадигмы Перцептивный Расположен Вездесущий
Компании	Амазонка Робототехника Эниботы Барретт Технолоджи Бостон Динамикс Энергид Технологии FarmWise ФАНУК цифры ИИ Фостер-Миллер Автоматизация сбора урожая Пчелиная робототехника Интуитивный хирургический IРобот ПЛАКАТЬ Звездолетные Технологии Симботический Универсальная робототехника Волк Робототехника Яскава
Связанный	Критика работы Активный экзоскелет Безопасность робототехники на рабочем месте Роботизированный технический жилет Технологическая безработица Проходимость Вымышленные роботы
Категория Контур