Исследовательская группа под руководством экспертов по интеллектуальным материалам, профессора Стефана Зеелеке и младшего профессора Джанлуки Риццелло из Саарландского университета, изучает фундаментальные аспекты этой захватывающей области мягкой робототехники.

На заводе будущего люди и машины будут работать бок о бок, в гармонии, как команда, объединяя усилия при необходимости, как если бы коллаборативный робот был живым и невредимым. Хотя коллаборативные роботы («коботы») уже внедряются на промышленных производственных линиях, до настоящего взаимодействия роботов и их человеческих коллег еще далеко. Проблема заключается в физической близости людей-сотрудников, чьи действия — в отличие от действий робота — не подчиняются предсказуемым алгоритмам. Работник может устать или отвлечься и действовать внезапно или даже нелогично. Это имеет очевидные последствия для безопасности и объясняет, почему роботизированные манипуляторы, используемые в настоящее время на производственных линиях, обычно размещаются в защитных клетках. Для тех, кто подойдет слишком близко, ситуация может стать опасной. Промышленные роботы, как правило, представляют собой большие и тяжелые машины. Но они также мощные, быстрые и маневренные, и используются для широкого спектра операций, таких как сварка, сборка, покраска, штабелирование и подъем. Однако их движения полностью определяются программами, которые ими управляют. А если кто-то встанет у них на пути или подойдет слишком близко, последствия могут быть серьезными.

Команда под руководством профессора Штефана Зеелеке и младшего профессора Джанлуки Риццелло из Саарландского университета и Центра мехатроники и автоматизации (ZeMA) в Саарбрюкене работает над новыми типами интеллектуальных роботизированных манипуляторов. «Наша технология основана на интеллектуальных полимерных системах и позволяет нам создавать новые мягкие роботизированные инструменты, которые легче, маневреннее и гибче, чем жесткие компоненты, используемые в настоящее время», — объясняет Штефан Зеелеке. Случайный толчок от одного из этих роботизированных манипуляторов будущего будет больше похож на толчок от коллеги-человека (и с меньшей вероятностью приведет к госпитализации).

Материал, используемый для этих новых мягких роботизированных манипуляторов, — это особый тип полимера, известный как «диэлектрический эластомер». Исследователи в Саарбрюкене используют этот композитный материал для создания искусственных мышц и нервов. Особые свойства диэлектрических эластомеров позволяют разрабатывать системы, вдохновленные гениальными творениями природы. Эти эластомеры можно сжимать, а затем растягивать обратно до исходной формы. «Мы печатаем электроды с обеих сторон эластомерного материала. Когда мы подаем напряжение, два электрода притягиваются друг к другу, сжимая полимер и вызывая его боковое расширение», — объясняет доктор Джанлука Риццелло, младший профессор адаптивных систем на основе полимеров. Итальянский исследователь работает в команде Зеелеке с 2016 года. Таким образом, эластомер может сокращаться и расслабляться, как мышечная ткань. «Мы используем это свойство для проектирования наших актуаторов», — объясняет Риццелло. Точно изменяя электрическое поле, инженеры могут заставить эластомер совершать высокочастотные колебания или плавно изменяющиеся изгибающие движения, или даже оставаться неподвижным в определенном желаемом промежуточном положении.

Затем исследователи объединяют большое количество этих крошечных «мышц», чтобы создать гибкую роботизированную руку. При таком способе соединения для образования роботизированного щупальца взаимодействие мышц приводит к движениям, имитирующим движения щупальца осьминога, способного вращаться во всех направлениях. В отличие от тяжелых, жестких роботизированных конечностей, используемых в настоящее время, которые, подобно людям, могут двигаться только в определенных направлениях, эти новые роботизированные щупальца могут свободно двигаться практически в любом направлении. Джанлука Риццелло вместе со своим аспирантом Йоханнесом Прехтлем недавно получили награду за лучшую статью на конференции RoboSoft 2021 за свою работу по разработке прототипа щупальца на основе диэлектрического эластомера — это одна из многочисленных наград, полученных исследовательской группой профессора Зеелеке. Команда рассчитывает получить полностью разработанный прототип щупальца примерно через год.
Когда дело доходит до наделения полимерных материалов интеллектом, Джанлука Риццелло — настоящий эксперт. Он предоставляет блоку управления (т.е. «мозгу» робота) данные, необходимые для интеллектуального управления рукой — очень сложная и амбициозная задача. Эти системы намного сложнее, чем существующие роботизированные руки. «Использование искусственного интеллекта для управления компонентами на основе полимеров гораздо сложнее, чем управление традиционными мехатронными системами», — объясняет Риццелло. Поскольку эластомерные «мышцы» также обладают сенсорными свойствами, они могут выступать в качестве нервов системы, а это значит, что роботизированной руке не нужно оснащаться дополнительными датчиками. Каждое искажение эластомера, каждое изменение его геометрии вызывает изменение емкости материала, что позволяет команде присваивать точное значение электрической емкости любой конкретной деформации эластомера. «Измеряя емкость, мы точно знаем, какую форму принял эластомер, что позволяет нам извлекать данные из датчика», — объясняет Риццелло. «

Эти количественные данные затем можно использовать для точного моделирования и программирования движения эластомерной руки». Исследования Риццелло сосредоточены на разработке интеллектуальных алгоритмов, которые могут обучить эти новые роботизированные щупальца двигаться и реагировать по мере необходимости. «Мы пытаемся выяснить, какие физические свойства отвечают за поведение этих полимеров». «Чем больше мы знаем, тем точнее сможем разработать алгоритмы управления эластомерными мышцами», — говорит доктор Риццелло.

Технология, разрабатываемая в Саарланде, будет масштабируемой. Ее можно использовать для создания миниатюрных щупалец для медицинских инструментов или для производства больших роботизированных манипуляторов для промышленного применения. Но в отличие от тяжелых роботизированных манипуляторов, используемых сегодня, роботизированные конечности, созданные из интеллектуальных эластомеров, будут намного легче. Нашим роботизированным манипуляторам не нужны двигатели, гидравлические или пневматические системы; они могут работать просто за счет подачи электрического тока. Кроме того, эластомерные мышцы могут быть изготовлены в формах, соответствующих требованиям конкретного применения. И они потребляют очень мало электроэнергии. В зависимости от емкости, протекающие электрические токи находятся в диапазоне микроампер. «Этот тип технологии мягких роботов очень перспективен для будущего, поскольку его производство энергоэффективно и экономично», — резюмирует Стефан Зеелеке.

Данное исследование поддержано Немецким фондом научных исследований (DFG) в рамках приоритетной программы SPP2100 «Робототехнические системы из мягких материалов».