Roboții reprezintă un mare pas al tehnologiei moderne, proiectarea acestora aflându-se într-o continuă dezvoltare în prezent. Cu aspecte tot mai sofisticate și funcții din ce în ce mai complexe, roboții sunt folosiți pe scară largă în scop industrial pentru producția de mașini și mașinării, împachetare, asamblare sau transport, dar există și tipuri de roboți care pot realiza și sarcini autonome, precum navigarea independentă în spațiul înconjurător, recunoașterea obiectelor și persoanelor și realizarea unor sarcini minore necesare traiului zilnic.
Piele robotică pentru corpuri elastice
În mediile structurate, predictibile, roboții excelează în realizarea anumitor sarcini pentru care sunt programați, dar ei nu se pot adapta pentru a interacționa în profunzime cu mediul înconjurător. Pentru a crește versatilitatea și adaptabilitatea roboților la mediul natural, Joran W. Booth și echipa sa au creat conceptul de OmniSkins, ce reprezintă structuri tegumentare robotice care se pot înfășura în jurul unor corpuri fizice elastice pentru a crește precizia mișcărilor robotice și a induce cinetica dorită. Cercetarea a fost publicată în revista Science Robotics și a arătat că atașarea pielii robotice la diverse corpuri fizice elastice în moduri diferite induce pattern-uri de mișcare diferite. Funcția motorie poate fi dezvoltată și mai mult prin asocierea mai multor tegumente robotice, aplicațiile practice fiind perfecționarea tehnicilor robotice de manipulare și locomoție.
Tehnologia ar putea ajuta la creșterea performanței roboților în explorarea mediului înconjurător, căutarea și salvarea persoanelor sau la alte acțiuni umanitare realizate în medii nepredictibile, unde nu se cunoaște exact contextul acțiunilor ce urmează a fi întreprinse. OmniSkin dezvoltă finețea operabilității în cazul manipulării obiectelor fragile, crește rezistența la forțe mari de impact și crește performanța mișcării de apucare. Mișcările corpului fizic pot fi schimbate prin reorientarea unei pieli robotice pe suprafața unui corp sau prin înfășurarea sa în jurul unor corpuri cu diferite morfologii și proprietăți. Tegumentele robotice pot fi folosite în asociere și pot fi reconfigurate pentru realizarea unei anumite sarcini. Cu ajutorul senzorilor, tehnologia controlează mișcarea independent de substratul pe care este aplicată. Pielea robotică poate fi inclusiv transferată între anumite corpuri fizice sau folosită în componența costumelor pentru a comunica informații posturale ori în acoperirea unor structuri aflate în tensegritate (stabilizate prin integritate tensională) (fig. 1).
Configurații robotice diverse
Tegumentele robotice sunt învelișuri modulare stratificate, cu funcții senzoriale și de mișcare încorporate, care pot fi aplicate, îndepărtate, transferate și reorientate pe suprafețele corpurilor fizice elastice, pentru a imprima mișcare acestora. Ele pot transforma orice corp fizic elastic inert într-un corp în mișcare, oferindu-i acestuia proprietăți robotice. Cu alte cuvinte, sunt sisteme robotice bidimensionale capabile să deformeze suprafața corpurilor moi tridimensionale, implementând acestora diverse tipare de configurație spațială și mișcare. Există o diversitate mare a tipurilor de piele robotică, care pot varia în componență și configurație.
În studiul publicat în Science Robotics, aceeași configurație a componentelor folosite a fost aplicată pe substraturi diferite – un dispozitiv de acționare pneumatic integrat într-un elastomer și un aliaj cu memorie a formei integrat în substrat (SMA – shape memory alloy), ambele tipuri de implementări folosind conductori compuși pe bază de senzori capacitivi. Astfel, au fost create două tipuri de tegumente robotice – pneumatice și SMA. O a treia implementare a inclus un dispozitiv pneumatic, un substrat de pânză și aceiași senzori capacitivi, alte configurații posibile având la bază multiple straturi de piele robotică ce pot fi suprapuse pe planuri neparalele.
Atașarea aceluiași tegument robotic pe același corp elastic în diferite moduri induce mișcări diferite. De exemplu, la atașarea unei pieli robotice pe un cilindru elastic, prin orientarea dispozitivului de acționare din structura pielii pe lungime cilindrului, se induce o contracție lineară și o mișcare de flexie. Prin reorientarea dispozitivului de acționare perpendicular, se obține o contracție radială care induce compresie. Alte mișcări includ extensie și contracție axială și torsiune.
Mișcări complexe cu piele robotică
Plasarea pielii robotice pe corpuri fizice de dimensiuni și forme diferite induce mișcări diferite, care depind de relația dintre dimensiunea și proprietățile materialului din care este format tegumentul și dimensiunea și rigiditatea corpului fizic pe care este atașat acesta. Astfel, prin refolosire, pielea robotică poate induce mișcări diferite, acest fenomen având importanță practică – modificarea formei fizice pentru ajustarea mișcării robotului este mai simplă decât schimbarea componentelor robotului (fig. 2).
Pentru a produce mișcări mai complexe, pot fi folosite mai multe straturi de piele robotică, care pot fi ulterior transferate altor corpuri, pentru îndeplinirea unor sarcini diferite – locomoție, mișcare continuă, apucare. Tegumentele robotice pot fi folosite și în asociere, pentru inducerea unor mișcări mai complexe ale aceluiași corp fizic. Pentru obținerea mișcărilor de locomoție, dispozitivele de acționare au fost presurizate la 140 kPa și acționate succesiv, apoi relaxate, rezultând arcuirea și apoi aplatizarea diverselor zone ale corpurilor fizice, rezoluția mișcărilor fiind de câțiva milimetri.
Pielea robotică poate fi aplicată pe haine
Tegumentele robotice pot fi folosite pentru a „robotiza” corpuri fizice elastice în scopul obținerii anumitor mișcări care să realizeze diverse sarcini. Pielea robotică poate fi adăugată structurilor geometrice complexe, pentru a induce locomoția prin rostogolire. La sistemele formate cu piele robotică se pot adăuga și senzori de lumină sau camere de luat vederi pentru a obține controlarea robotului de un operator extern. O altă aplicație utilă a pielii robotice este aplicarea sa pe diverse haine pentru a obține informații despre postura celui care le poartă. Pielea robotică poate corecta astfel posturile greșite prin emiterea unui semnal (fig. 3).
Interacțiunea dintre pielea robotică și corpurile fizice este complexă și are la bază transferul de stres mecanic de la piele către corp, rezultând schimbările mecanice. Înainte de aplicarea pielii robotice, trebuie luate în considerare variabilele fizice ale corpurilor. Dacă un corp este prea moale, descărcarea mecanică nu va fi eficientă, iar pielea va distorsiona suprafața corpului fără a produce mișcarea. Dacă un corp este prea tare, pielea nu va putea genera suficientă forță încât să miște corpul.
Beneficiile tehnologiei
Aplicațiile practică a acestei tehnologii pot aduce mari beneficii industriei robotice. În loc de a crea componente tridimensionale cu diverse funcționalități prestabilite, componentele robotice tridimensionale inerte pot fi acoperite cu tegument robotic pentru a realiza anumite mișcări. Acest sistem permite modificarea pattern-urilor de mișcare pe loc, în funcție de cerințele mediului extern, fapt irealizabil în cazul structurilor robotice tridimensionale cu funcționalitate prestabilită.
Tehnologia aduce și alte beneficii, materialele din care este realizată pielea robotică fiind elastice și putând fi ușor stocate, dar și corpurile fizice pe care ele se aplică având aceleași proprietăți – formate din spumă compactantă și care rezistă la șocuri externe. Pielea robotică poate fi reconfigurată și refolosită pe substraturi diferite.
