ساخت ماهیچه مصنوعی برای ربات‌های نرم

 به گزارش ایسنا و به نقل از فیز، ابداع ربات‌های نرم موجب جهشی در دهه اخیر شده و پژوهشگران مواد و طراحی‌های خاصی را آزمایش کرده‌اند تا به ماشین‌های خشک و نامنظم، قابلیت خم شدن و انعطاف‌پذیری ببخشند تا بتوانند از موجودات زنده تقلید کنند و با آنها تعامل طبیعی‌تری داشته باشند.

اما قابلیت انعطاف و چابکی بسیار، موجب کاهش قدرت می‌شود بطوریکه عموما مواد نرم‌تر، قدرت یا قابلیت ارتجاعی مواد غیرقابل انعطاف را ندارند و این امر استفاده آنها را محدود می‌کند.

 پژوهشگران موسسه "ویس" (Wyss) دانشگاه هاروارد و آزمایشگاه علوم رایانه‌ای و هوش مصنوعی دانشگاه ام‌آی‌تی (CSAIL)، ماهیچه‌های مصنوعی شبه اوریگامی ابداع کرده‌اند که با افزایش قدرت ربات‌های نرم به آنها این قابلیت را می‌دهد که اشیایی هزار برابر سنگین‌تر از خودشان را با استفاده از فشار هوا یا آب بلند کنند.

دکتر"دانیلا روس" (Daniela Rus)، استاد مهندسی برق و علوم رایانه‌ای دانشگاه ام‌آی‌تی و یکی از نویسندگان این مقاله می‌گوید: قدرت محرک‌ها(ماهیچه‌ها) ما را شگفت‌زده کرد. انتظار داشتیم حداکثر وزنی که این ماهیچه‌ها نسبت به ربات‌های نرم بتوانند بلند کنند، بالاتر باشد، اما انتظار افزایش هزار برابر را نداشتیم و این موضوع مانند ابرقدرتمند ساختن ربات‌هاست.

دکتر "راب وود" (Rob Wood)، یکی از نویسندگان این مقاله افزود: محرک‌های شبه ماهیچه‌ای مصنوعی، یکی از مهم‌ترین چالش‌های بزرگ در همه علوم مهندسی است. اکنون که محرک‌هایی با ویژگی‌های شبیه به ماهیچه طبیعی ابداع کرده‌ایم، تقریبا می‌توانیم برای هر کاری، ساخت یک ربات مخصوص آن را تصور کنیم.

هر ماهیچه مصنوعی شامل یک اسکلت درونی ساخته شده از مواد گوناگون مانند فنر فلزی یا ورقه پلاستیکی پیچیده شده براساس الگویی خاص است که با هوا یا مایعی احاطه شده و درون یک کیسه پلاستیکی یا پارچه‌ای که کار پوست را انجام می‌دهند، قرار گرفته است.

فضای خالی به کار گرفته شده در کیسه، با وادار کردن پوست به ریزش روی اسکلت، حرکت ماهیچه را آغاز می‌کند و میل کنترل حرکت را به وجود می‌آورد. درواقع، برای هدایت حرکت ماهیچه هیچ منبع قدرت یا نیروی انسانی مورد نیاز نیست. این موضوع کاملا با شکل و ترکیب اسکلت، تشخیص داده می‌شود.

دکتر "شاوشنگ لی" (Shuguang Li)، نویسنده ارشد این مقاله، عضو فوق دکتری موسسه ویس و MIT CSAIL می‌گوید: یکی از جنبه‌های اصلی این ماهیچه‌ها، قابل برنامه‌ریزی بودن آنهاست یعنی طراحی چگونگی تاشدن اسکلت، چگونگی حرکت کل این ساختار را تعریف می‌کند. شما بدون نیاز به کنترل سیستم، لزوما این حرکت را به طور رایگان در دست دارید. این پژوهش به ماهیچه‌ها امکان می‌دهد بسیار متراکم و ساده و در نهایت برای تلفن همراه یا سیستم‌های نصب‌شده روی بدن که نمی‌توانند با دستگاه‌های بزرگ یا سنگین تطبیق یابند، مناسب‌تر باشند.

ماهیچه‌های مصنوعی نه تنها به روش‌های مختلف حرکت می‌کنند بلکه انعطاف‌پذیری چشمگیری نیز دارند. این ماهیچه‌ها به نسبت ماهیچه اسکلتی پستانداران، در هر محل واحد، تا شش برابر بیشتر، قدرت تولید می‌کنند و به شکل ناباورانه‌ای سبک هستند. یک ماهیچه 2.6 گرمی می‌تواند یک جسم سه کیلوگرمی را بلند کند که معادل بلند کردن یک خودرو توسط یک مرغابی وحشی است. به‌علاوه، ممکن است یک ماهیچه مستقل در طول 10 دقیقه با استفاده از موادی با هزینه کمتر از یک دلار ساخته شود که موجب می‌شود برای آزمایش و تکرار، ارزان‌تر و راحت‌تر باشد.

"دنیل وگت" (Daniel Vogt)، کارشناس ارشد، از نویسندگان این مقاله و مهندس پژوهش موسسه ویس می گوید: افزایش قدرت ماهیچه‌ها با استفاده از فضای خالی، آنها را از بیشتر ماهیچه‌های مصنوعی که اخیرا مورد آزمایش قرار گرفته اند، ایمن‌تر می‌کند. بسیاری از کاربردهای ربات‌های نرم، انسان محور هستند؛ بنابراین باید ایمن بودن آنها در نظر گرفته شود. ماهیچه‌های مبتنی بر فضای خالی، کمتر در معرض خطر پارگی، خرابی و نابودی هستند و درهنگام کار کردن، منبسط نمی‌شوند؛ بنابراین می‌توان آنها را با ربات هایی که برای بدن انسان مناسب‌تر هستند، ترکیب کرد.

وود اضافه می‌کند: این محرک های نرم،علاوه بر ویژگی‌های ماهیچه مانندشان، بسیار مقیاس‌پذیر هستند. ما این ماهیچه‌ها را در اندازه‌های گوناگون از چند میلی‌متر تا مقیاس متر ساخته‌ایم و اجرای آن ها در هر زمینه‌ای امکان‌پذیر است. این ویژگی بدین معناست که این ماهیچه‌ها می‌توانند در مقیاس‌های گوناگون مانند ابزار جراحی، ربات‌های پوشیدنی، اسکلت‌های خارجی، معماری تغییرپذیر، ابزارهای به کار رفته در عمق دریا برای پژوهش یا ساخت و ساختارهای قابل اعزام برای اکتشاف فضایی، کاربردهای بسیاری داشته باشند.

این گروه تحقیقاتی، علاوه بر ساخت ربات‌های قابل دسترس که برای انتشار دارو به طرف محل خاصی از بدن حرکت می‌کنند، قادر به ساخت ماهیچه‌هایی از پلیمر PVA محلول در آب بود که امکان اجرای وظایف در تنظیمات طبیعی با کمترین تاثیر محیطی را برای ربات‌ها فراهم می‌کند. روس می‌گوید: این امکانات واقعا محدود هستند اما اختراع دیگری که در نظر دارم با استفاده از این ماهیچه ها بسازم، یک ربات فیل به همراه خرطومی است که بتواند با انعطاف‌پذیری و قدرت فیل‌های واقعی، دنیا را متحول کند. 

این پژوهش، این هفته در مجله اقدامات آکادمی ملی علوم (PNAS) به چاپ می‌رسد.