رباتیک نرم (Soft Robotics) چیست ؟

روباتیک نرم زیرمجموعه خاصی از روباتیک است که با ساخت روبات هایی از مواد کاملاً انعطاف پذیر (compliant)، مشابه آنچه در موجودات زنده موجود است، سروکار دارد.

روباتیک نرم از شیوه جابجایی موجودات زنده و سازگار با محیط اطراف خود الهام گرفته است. در مقایسه با روبات های ساخته شده از مواد سفت و سخت ، روبات های نرم افزایش انعطاف پذیری و سازگاری را برای انجام کارها و همچنین افزایش ایمنی هنگام کار در اطراف انسان امکان پذیر می کنند. این ویژگی ها امکان استفاده بالقوه آنها را در زمینه های پزشکی و تولید فراهم می کند.

1- انواع مختلف و طراحی روبات های نرم

هدف از ساخت رباتهای نرم ، طراحی و ساخت روبات هایی با بدنه و الکترونیک انعطاف پذیر (از نظر فیزیکی) است. بعضی اوقات نرمی محدود به بخشی از دستگاه است. به عنوان مثال ، بازوهای رباتیک با بدن سفت و سخت می توانند از مؤلفه های انتهایی نرم استفاده کنند تا به آرامی اشیاء ظریف یا نامنظم احاطه و نگهداری کنند. اکثر روبات های سفت و سخت بدن نیز از لحاظ استراتژیکی از اجزای نرم مانند پدهای پا برای جذب شوک یا اتصالات قابل ارتجاع برای ذخیره و آزاد سازی انرژی الاستیک استفاده می کنند. با این حال، زمینه روباتیک نرم عموماً به سمت ماشینهایی متمایل است که عمدتاً یا کاملاً نرم هستند. روبات هایی با بدن کاملاً نرم از پتانسیل فوق العاده ای برخوردار هستند. انعطاف پذیری آنها به آنها اجازه می دهد تا در مکان هایی که ربات های ساخته شده از اجسام سخت نمیتوانند داخل شوند ورود کنند، که می تواند در سناریوهای نجات از فاجعه مفید باشد. روبات های نرم همچنین برای تعامل انسان و برای استقرار داخلی در بدن انسان بی خطر تر هستند.

طبیعت، غالباً الهام بخش طراحی رباتهای نرم است زیرا حیوانات خودشان اکثراً از اجزای نرم تشکیل شده اند و ظاهراً از نرمی خود برای حرکت کارآمد در محیطهای پیچیده تقریباً در همه جای کره زمین بهره می گیرند. بنابراین ، روبات های نرم اغلب به گونه ای ساخته شده اند که شبیه موجودات آشنا به ویژه ارگانیسم های کاملاً نرم مانند اختاپوس ها هستند. با این حال ، طراحی و کنترل دستی ربات های نرم با توجه به امپدانس مکانیکی پایین آنها ، بسیار دشوار است. همان چیزی که روبات های نرم را مفید می کند – انعطاف پذیری و انطباق آنها – کنترل آنها را دشوار می کند. ریاضیاتی که طی قرنهای گذشته برای طراحی اجساد سفت و سخت ساخته شده است، عموماً در گسترش روبات های نرم ناکام هستند. بنابراین ، روبات های نرم معمولاً با کمک ابزارهای طراحی خودکار مانند الگوریتم های تکاملی، طراحی می شوند.

2- تقلید از موجودات زنده

سلولهای گیاهی به دلیل داشتن گرادیان غلظت املاح بین سیتوپلاسم و محیط خارجی (پتانسیل اسمزی) ذاتاً می توانند فشار هیدرواستاتیک ایجاد کنند. علاوه بر این ، گیاهان می توانند این غلظت را از طریق حرکت یون ها در غشای سلولی تنظیم کنند. این حالت شکل و حجم گیاه را تغییر می دهد و زیرا گیاه به این فشار هیدرواستاتیک پاسخ می دهد. این تکامل شکل حاصل از فشار برای روباتیک نرم مطلوب است و می تواند برای ایجاد مواد سازگار با فشار از طریق استفاده از جریان سیال شبیه سازی شود.

این اصل در ایجاد سیستم های فشار برای روباتیک نرم به کار گرفته شده است. این سیستم ها از رزین های نرم تشکیل شده اند و حاوی کیسه های سیال متعددی با غشاهای نیمه نفوذ پذیر هستند. نیمه نفوذپذیری امکان انتقال مایعات را فراهم می کند که منجر به تولید فشار می شود. این ترکیب انتقال مایعات و فشار منجر به تغییر شکل و حجم می شود.

یکی دیگر از مکانیسمهای تغییر شکل بیولوژیکی ذاتی ، تغییر شکل هیگروسکوپی است. در این مکانیسم سلولهای گیاهی نسبت به تغییرات رطوبت واکنش نشان می دهند. هنگامی که جو اطراف رطوبت بالایی دارد، سلولهای گیاهی متورم می شوند، اما هنگامی که جو اطراف رطوبت کم دارد، سلول های گیاهی کوچک می شوند. این تغییر حجم در دانه های گرده و مقیاس مخروط کاج مشاهده شده است.

3- نحوه ساخت ربات های نرم

تکنیک های ساخت معمولی، مانند تکنیک های تفریق مانند حفاری و فرز، هنگام ساخت روبات های نرم بی فایده است زیرا این روبات ها شکل های پیچیده ای با بدنهای تغییر شکل دارند. بنابراین، تکنیک های پیشرفته تر ابداع شده است. این موارد شامل ساخت انشعاب شکل (SDM) ، فرآیند ریزساختار هوشمند کامپوزیت هوشمند (SCM) و چاپ سه بعدی چند ماده ای است.

SDM نوعی نمونه سازی سریع است که به وسیله آن رسوب و ماشینکاری بصورت چرخشی اتفاق می افتد. دانشمندان با موفقیت این روش را برای ساخت روبات های نرم مانند Stickybot  و iSprawl استفاده کرده اند.

SCM فرآیندی است که به وسیله آن بدنهای سفت و سختی از پلیمر تقویت شده با فیبر کربن (CFRP) با رباطهای پلیمری انعطاف پذیر ترکیب می شود. پلیمر انعطاف پذیر بعنوان مفاصل اسکلت عمل می کند. با این فرآیند ، ساختار یکپارچه ای از رباط های CFRP و پلیمر از طریق استفاده از ماشینکاری لیزر و به دنبال آن لمینیت ایجاد می شود. این فرآیند SCM در تولید روبات های mesoscale مورد استفاده قرار می گیرد.

از چاپ سه بعدی هم اکنون می توان برای چاپ طیف گسترده ای از جوهرهای سیلیکون با استفاده از Robocasting که به عنوان نوشتن مستقیم جوهر (DIW) نیز شناخته می شود، استفاده کرد. طیف گسترده ای از نرم افزارهای کاملاً کاربردی با استفاده از این روش شامل خمش، پیچ خوردگی، چنگ زدن و حرکت پیمانکاری چاپ شده است.

4- روش های کنترل و مواد سازنده

تمام روبات های نرم برای تولید نیروهای واکنش، به یک سیستم فعال سازی نیاز دارند تا امکان حرکت و تعامل با محیط فراهم شود. به دلیل منعطف بودن این روبات ها، سیستم های تحریک فعال باید بتوانند بدون استفاده از مواد سفت و سخت که به عنوان استخوان موجود در ارگانیسم ها عمل میکنند یا قاب فلزی که در روبات های سفت و سخت متداول است، حرکت کنند. با این وجود ، چندین راه حل برای مشکل کنترل با روش تحریک نرم وجود دارد که هر کدام دارای مزایا و معایبی هستند. چند نمونه از روش های کنترل و مواد مناسب در ادامه ذکر شده است.

• میدان الکتریکی

یک مثال استفاده از نیروی الکترواستاتیک است که می تواند در مورد زیر اعمال شود:

فعال کننده های دی الکتریک الاستومر (DEA) که برای تغییر شکل آن از میدان الکتریکی با ولتاژ بالا استفاده می کنند.

• حرارتی

پلیمرهای حافظه شکل (SMPs) مواد هوشمند و قابل تنظیم هستند که به عنوان نمونه ای عالی از تحریک حرارتی استفاده می شوند. این مواد شکل اصلی خود را “به یاد می آورند” و با افزایش دما به آن باز می گردند.

• اختلاف فشار

ماهیچه های مصنوعی پنوماتیک، یکی دیگر از روش های کنترل مورد استفاده در روبات های نرم، به تغییر فشار داخل یک لوله انعطاف پذیر متکی است. با این روش عضله عمل می کند، منقبض و انبساط می یابد و بدین ترتیب نیرویی را که به آن وصل شده اعمال می کند. با این حال ، این روش به طور کلی برای عملکرد به یک منبع خارجی هوای فشرده نیاز دارد.

5- سنسورها در رباتیک نرم

سنسور کشش نرم اغلب برای اندازه گیری شکل و حرکت ربات استفاده می شود. این اندازه گیری ها اغلب در یک سیستم کنترل جاسازی می شوند.

6- کاربردهای رباتیک های نرم

• کمک جراحی

روبات های نرم را می توان در حرفه پزشکی، به طور خاص در عمل جراحی استفاده کرد. با توجه به خاصیت تغییر شکل آنها، می توان از روبات های نرم برای کمک به جراحی استفاده کرد. تغییر شکل بسیار مهم است زیرا یک ربات نرم می تواند با تنظیم شکل خود به اطراف ساختارهای مختلف بدن انسان حرکت کند. این امر می تواند از طریق استفاده از تحریک سیال محقق شود.

• ربات های پوشیدنی (Exosuits)

همچنین ممکن است از روباتهای نرم برای ایجاد لباسهای منعطف، برای توانبخشی بیماران، کمک به افراد سالخورده استفاده شود. تیمی از هاروارد با استفاده از این مواد، اگزوزوتیوهایی ایجاد کردند تا از مزایای استحکام فراهم شده توسط یک وسیله نقلیه، بدون محدودیت های ناشی از مواد سفت و سخت در حرکت طبیعی یک شخص، استفاده کنند. اگزوزوها چارچوب های فلزی هستند که دارای عضلات موتوری هستند تا قدرت استفاده کننده را چند برابر کنند. چارچوب فلزی کت و شلوارهای رباتیک، که اسكلت نیز نامیده می شود، ساختار اسكلت داخلی پوشنده را شبیه سازی میكند.

این کت و شلوار باعث می شود اشیاء بلند شده بسیار سبک تر و گاهی اوقات حتی بی وزن باشند و صدمات را کاهش داده و انطباق پذیری را بهبود می بخشند.

• روبات های همکار (Collaborative Robots)

به طور سنتی ، به دلیل نگرانی در مورد ایمنی، روبات های تولیدی از کارگران انسانی جدا شده اند، زیرا برخورد روبات سفت و سخت با یک انسان، به دلیل حرکت سریع روبات ها، می تواند به راحتی منجر به صدمه شود. با این حال، روبات های نرم می توانند با خیال راحت در کنار انسان کار کنند، زیرا در یک برخورد طبیعت سازگار روبات های نرم، موجب به حداقل رساندن هرگونه آسیب احتمالی می شود.

• کاربرد زیست تقلید

کاربرد زیست تقلید از طریق رباتیک نرم در اکتشافات اقیانوس یا فضا است. در جستجوی زندگی فرازمینی، دانشمندان باید بیشتر درباره اجسام فرازمینی ساخته شده از آب بدانند، زیرا آب منبع زندگی روی زمین است. از روبات های نرم می توان برای تقلید موجودات دریایی استفاده کرد که می توانند از طریق آب به راحتی مانور دهند. چنین عملی توسط تیمی در کرنل در سال 2015 و با کمک هزینه ای از طریق مفاهیم نوآورانه پیشرفته ناسا (NIAC) انجام شد.