i i \Erzin" | 2022/6/13 | 8:44 | page 41 | #1 i i i i i i MEHKA ROBOTIKA LARA ERZIN Fakulteta za matematiko in ziko Univerza v Ljubljani Klju cne besede: mehka robotika, mehki materiali, mehki aktuatorji, senzorji Mehki roboti so narejeni iz mehkih, elasti cnih materialov in omogo cajo edinstvene mo- znosti uporabe na podro cjih, kjer klasi cna, nepro zna robotika ne pride v po stev, na primer za neinvazivne operacije, protetiko in umetne organe. Pristopi za oblikovanje in delovanje izhajajo iz narave in kompleksnega gibanja zivih bitij. Zaradi svoje mehke zgradbe, ki lahko spreminja obliko, se lahko mehki roboti prilagajajo nepredvidljivim okoljem in varno interagirajo z ljudmi. Novo nastajajo ce podro cje mehke robotike zdru zuje razli cna podro- cja, kot so zika materialov, biomedicinsko in zenirstvo in podro cje inteligentnih sistemov. SOFT ROBOTICS Soft robots are composed of compliant, elastic materials and oer unique applications in the elds where conventional rigid robotics cannot be applied, for instance noninvasive surgeries, prosthetics and articial organs. Their design and operation draw heavily from nature, often mimicking the complex motion of living creatures. Due to their soft struc- ture with the capability to change shape, soft robots are able to adapt to unpredictable environments and can safely interact with humans. The newly emerging eld of soft ro- botics is highly multi-disciplinary, combining areas such as material physics, biomedical engineering and intelligent systems. Uvod Naprave v na sem vsakdanjem zivljenju so ve cinoma narejene iz togih kompo- nent, ki se odlikujejo v ponavljajo cih se nalogah v predvidljivih ter struktu- riranih okoljih. Na drugi strani pa so zivi organizmi v milijonih let evolucije razvili najrazli cnej se sisteme, v katerih prete zno najdemo mehke materiale, ki omogo cajo bolj se prilagajanje okolju [14]. Prav to razhajanje z naravo je eden od globokih navdihov za iskanje druga cnih re sitev za robotske sis- teme, ki se danes za cenja prepoznavati kot novo podro cje, imenovano mehka robotika [12]. Mehka robotika je podro cje robotike, ki se ukvarja z ustvarjanjem robo- tov iz materialov, ki so mehki, upogljivi in elasti cni, torej podobni tistim v zivih organizmih [22]. Obi cajne robote po navadi poganjajo elektromotorji ali crpalke, pri cemer take naprave lahko zmorejo velike sile, visoke hitrosti in veliko natan cnost, vendar pa praviloma niso zmo zne prilagajanja okolju Obzornik mat. fiz.69 (2022) 2 41 i i \Erzin" | 2022/6/13 | 8:44 | page 42 | #2 i i i i i i Lara Erzin in varnega delovanja v bli znjem stiku z ljudmi [21]. Zato je vedno bolj za ze- lena lastnost robotskih sistemov, se posebej tistih, ki morajo interagirati z ljudmi [15], da uporabljajo mehke materiale, ki na primer lahko u cinkovito razpr sijo energijo ob udarcih, zadu sijo nihanja in omogo cajo bolj gladke ter neprekinjene gibe. Roboti, narejeni iz mehkih materialov, se tudi praviloma la zje odzivajo na spremembe v okolju in so bolj robustni [21]. Mehka robotika odpira mo znosti za nove tehnologije v biomedicinskih napravah, industrijski avtomatizaciji in celo v raziskovanju vesolja. Zani- mivi nastajajo ci izumi na podro cju mehke robotike so na primer crpalka brez ventilov, ki posnema delovanje srca vreten carjev, lahke in eksibilne son cne celice, umetni organi in pametna protetika [19]. Mehki roboti lahko spreminjajo obliko ali celo rastejo [18]. Ker se je razvoj podro cja mehke robotike za cel dokaj nedavno, je danes veliko raziskav usmerjenih v iskanje ustreznih materialov in njihovo vklju cevanje v robotske sisteme. Povsem mehki roboti trenutno se nimajo prave uporabne vrednosti in so namenjeni predvsem demonstraciji zmo znosti mehkih materialov. Mehki roboti, ki pa so ze v uporabi, se po navadi zana sajo na zunanje napajanje in vklju cujejo trde komponente [12]. V nadaljevanju je predstavljen model gibanja izbranega podvodnega mehkega robota, kot prikaz prednosti mehkih robotov, opisane so nekatere metode izdelave, predstavljene so vrste senzorjev in aktuatorjev, v zadnjem poglavju pa je opisano delovanje prvega povsem mehkega avtonomnega ro- bota. Gibanje modelskega podvodnega mehkega robota Veliko vodnih organizmov se pri svojem gibanju zana sa na periodi cne oscila- cije dela telesa (plavuti, rep) ali pa kar celega telesa, kar zahteva aktivacijo sklepov in usklajeno gibanje okon cin, in je kot tako relativno zapleteno in posledi cno s stali s ca robotike manj uporabno. Zato se v mehki robotiki razvija na cine gibanja, ki temeljijo na spreminjanju oblike telesa ali spre- minjanju volumna telesa. Tako gibanje je v naravi zna cilno predvsem za enoceli cne organizme ter nekatere pla s carje in glavono zce [9]. Glavono zci se poganjajo s pomo cjo omi si cene pla s ceve votline { ko mi sice pla s ca popustijo, votlino napolni voda, ko pa se skr cijo, skozi lijak iztisnejo vodni curek in s tem odrinejo zival v drugo smer [2]. Shema gibanja je prikazana na sliki 1. Nedavno pa so pri hitrih manevrih glavono zcev opazili nepri cakovano velike pospe ske in ve cje hitrosti, kot bi jih lahko le zaradi curka izlo cene vode, kar se razlo zi z u cinkom t. i. hidrodinamske mase ( »added-mass recovery«) [26]. Hidrodinamska masa Pri pospe senem gibanju telesa { npr. organizma ali robota { v teko cini se mora poleg telesa premikati tudi okoli ska teko cina, ki se pretaka iz obmo cja 42 Obzornik mat. fiz.69 (2022) 2 i i \Erzin" | 2022/6/13 | 8:44 | page 43 | #3 i i i i i i Mehka robotika Slika 1. Shema gibanja glavono zca: a) Glavni gibalni elementi glavono zca. b) Mi sice pla s ca popustijo in votlino napolni voda. c) Mi sice se skr cijo, s cimer iztisnejo curek vode, kar odrine zival v nasprotno smer. pred telesom v prostor za njim. Pri tem telo na teko cino deluje s silo in tako vpliva na hitrostno polje teko cine in pospe sek. Seveda teko cina deluje nazaj na telo z nasprotno enako silo in ta sila predstavlja u cinek t. i. hidrodinamske mase. Gre torej za efektivno silo, ki je posledica tega, da gibajo ce telo s seboj vle ce (ali zaustavlja) del volumna okoli ske teko cine, kar pa ima na telo podoben u cinek, kot da bi imelo dodatno maso. Kvocient hidrodinamske mase je deniran kot razmerje med maso teko cine, ki jo telo pospe si, in maso izpodrinjene teko cine [13]. Hidrodinamska masa je pomembno odvisna od razmerja med gostoto teko cine in gostoto telesa. Ce obravnavamo gibanje teles z veliko gostoto v teko cini s precej manj so gostoto, lahko njene u cinke zato velikokrat za- nemarimo. Stevilni biolo ski organizmi { kot prikazani glavono zec {, enako pa tudi mehki roboti, sestojijo iz materialov z ni zjo gostoto in zato u cinek hidrodinamske mase lahko postane pomemben. Krogelno nihalo v teko cini Za ponazoritev vpliva hidrodinamske mase na gibanje telesa obravnavamo nihalo na vzmet potopljeno v teko cino. Izka ze se, da ko takemu nihalu peri- odi cno spreminjamo volumen { a ohranjamo njegovo maso { nekaj energije, ki jo je oddalo teko cini, pridobi od teko cine nazaj. V modelu zaradi eno- stavnosti obravnavamo krogelno nihalo, vendar je izpeljava ustrezna tudi za druga telesa, ki se jim volumen spreminja izotropno. Rezultati pa se lahko posplo sijo tudi na nekatere bolj anizotropne spremembe volumna, kot jih na 41–56 43 i i \Erzin" | 2022/6/13 | 8:44 | page 44 | #4 i i i i i i Lara Erzin primer opazimo pri glavono zcih [8, 9]. To telo se giba le levo-desno in ni mo- del plavalca, ki dejansko lahko plava v neki smeri. Vzmet v na sem modelu pa v kontekstu glavono zcev ustreza elasti cnemu tkivu pla s ca, ki pomembno sodeluje pri njihovem gibanju [10]. Slika 2. Shema modelskega podvodnega robota s spreminjajo cim se volumnom, kjer r ozna cuje polmer oscilatorja ob casu t, r0 pa je povpre cen polmer oscilatorja. Obravnavamo torej enodimenzionalni oscilator (shema prikazana na sliki 2) z masom, volumnomV ter s konstanto vzmeti k. Nihalo niha v smerix in lahko spreminja svoj volumen, pri cemer pa ohranja svojo maso. Ko tako nihalo-robota potopimo v teko cino z gostoto (za katero pri- vzamemo, da je konstantna), deluje nanj t. i. Morisonova sila. Morisonova sila je semiempiri cen zapis dveh osrednjih sil, ki vplivata na oscilirajo ce telo v teko cini: prvi inercijski clen predstavlja spremembo vztrajnosti zaradi hi- drodinamske mase, drugi clen pa predstavlja upor v teko cini. Dinami cno ena cbo (2. Newtonov zakon) za oscilirajo ce telo zapi semo kot mx +kx =F = @ @t [C 11 V _ x] 1 2 C D A _ xj _ xj ; (1) kjer sta na desni strani clena Morisonove sile in je A pre cni presek telesa, C D koecient upora telesa, C 11 koecient hidrodinamske mase, _x hitrost nihala, x pa njegov pospe sek [8]. Prvi clen na desni strani zgornje ena cbe si lahko poenostavljeno razlo zimo tako, da si predstavljamo, da se s telesom giba teko cina z maso C 11 V . To povzro ci silo sorazmerno s casovnim odvodom zmno zka dodatne mase teko cine in hitrosti telesa. Bolj natan cna izpeljava tega clena je dostopna v literaturi [3]. Ce ena cbo (1) preuredimo, dobimo (m +C 11 V ) x + 1 2 C D Aj _ xj +C 11 _ V _ x +kx = 0; (2) kar naka ze, da je smiselno uvesti efektivno maso m e in casovno odvisen 44 Obzornik mat. fiz.69 (2022) 2 i i \Erzin" | 2022/6/13 | 8:44 | page 45 | #5 i i i i i i Mehka robotika efektivni koecient du senja C e kot m e =m +C 11 V (3) C e (t) = 1 2 C D A j _ xj +C 11 _ V ; (4) kar omogo ci, da ena cbo (2) zapi semo kot efektivno ena cbo du senega nihanja m e x +C e (t) _ x +kx = 0; ki pa ima casovno odvisen koecient du senja. Za doseganje optimalnega gibanja takega robota pa se praviloma posku sa dose ci re zim gibanja, ko je C e (t) = 0, kar se res lahko dose ze v primeru negativne spremembe volumna _ V < 0. Ko je efektivni koecient du senja enak ni c, se efektivno izni ci u cinek upora teko cine in dobimo nedu seno nihanje. Za dosego takega efektivno nedu senega gibanja je potrebno spreminjanje volumna, pri katerem se telo po casi skr ci, nato pa se hitro napihne nazaj na prvotno velikost [9]. Za tako efektivno nedu seno gibanje polo zaja telesa x velja x =X cos!t; (5) kjer je X amplituda odmika nihala, za fazo nihanja pa privzamemo, da je enaka ni c. Posebej zanimiv re zim gibanja { ko je sistem efektivno nedu sen { do- bimo, ko je C e = 0, kar da zvezo: _ V = 1 2 C D Aj _ xj C 11 : (6) Ce je nihajo ce telo v obliki krogle, je njegov pre cni presek enak A = r 2 , volumen je V = 4r 3 3 , sprememba volumna pa _ V = 4r 2 _ r, kar ena cbo (6) prepi se v _ r = 1 8 C D C 11 j _ xj : (7) Iz te zveze opazimo, da bi se moral polmer telesa _ r ves cas spreminjati v casu, ce naj ima telo konstantno hitrost, saj sta koecienta C D in C 11 pozitivna. Da to omejitev zaobidemo v realnem gibanju, se volumen telesa- nihala pove ca vsaki c, ko to pride v skrajno lego, kjer je njegova hitrost enaka ni c, kot nakazuje slika 3. Ko je sferi cno telo-robot v skrajni legi, je njegova hitrost enaka ni c in je efektivna elasti cna vzmet raztegnjena, kar ustreza stanju, ko ima telo najve cji volumen z radijem r 0 +a. Telo nato spustimo in to se zaradi sile vzmeti pospe si, volumen pa se za cne zmanj sevati. Po cetrtini nihaja, ob casu t = 0;25T , se nahaja v ravnovesni legi in polmer krogle je takrat enak 41–56 45 i i \Erzin" | 2022/6/13 | 8:44 | page 46 | #6 i i i i i i Lara Erzin Slika 3. Spreminjanje volumna in hitrost sferi cnega telesa-robota v teko cini z efektivno ni c upora. Zgornji del grafa prikazuje spreminjanje polmera krogle, na spodnjem delu grafa pa je prikazana hitrosti nihanja, kjer je U =!X amplituda hitrosti. r 0 . Do casa t = 0;5T pa se volumen krogle zmanj sa na minimalno vrednost. Takrat je nihalo v drugi skrajni legi, kjer je njegova hitrost enaka ni c, in tam se telo hitro napihne (predpostavimo, kot da hipno). Kroglo pove camo, ko miruje, saj takrat nenadno pove canje hidrodinamske mase ne vpliva na pogon [9]. Podobno gibanje, kot predstavljeno v poenostavljenem modelu nihanja telesa s spreminjajo cim volumnom v okoli ski teko cini, so opazovali tudi v eksperimentu, kjer pa se telo res usmerjeno giba, saj pri stiskanju uporablja sobo, ki usmerja tok okoli ske teko cine [24]. Posebej so tako pokazali, da telo, ki spreminja obliko, nazaj pridobi del kineti cne energije, ki jo je prej pre- dalo teko cini (kar na predstavljenem primeru nihala ustreza zagotavljanju nedu senega nihanja). To so demonstrirali s podvodnim vozilom z elasti cno membrano napeto cez togo ogrodje, ki posnema eno pulzacijo glavono zca. Shema gibanja vozila je prikazana na sliki 4. Podobno kot pri glavono zcih se elasti cna membrana napolni z vodo (vozilu se mo cno pove cata pre cni presek in volumen), nato pa curek vode izlo cen skozi sobo vozilo po zene v gibanje, membrana se prazni in vozilu se pre cni presek in volumen zmanj sata na velikost togega ogrodja. Zaradi zmanj sanja polmera in volumna se zmanj sa hidrodinamska masa, zaradi cesar, tako kot v zgornjem modelu, vozilo zopet pridobi del kineti cne energije, ki jo je prej predalo okoli ski teko cini. Gibanje vozila z elasti cno membrano so nato primerjali z gibanjem togega vozila, ki ga poganja sila curka enaka tisti pri vozilu z membrano. Ugotovili so, da je imelo vozilo z elasti cno membrano v primerjavi s togim vozilom 200 % ve cjo hitrost in 130 % ve cji pospe sek, kar lahko pripi semo le clenu C 11 _ V _ x, ki se je v ena cbi (2) pojavil kot posledica spreminjanja oblike telesa [24, 9]. 46 Obzornik mat. fiz.69 (2022) 2 i i \Erzin" | 2022/6/13 | 8:44 | page 47 | #7 i i i i i i Mehka robotika Slika 4. Shema gibanja podvodnega vozila z elasti cno membrano, ki posnema gibanje glavono zca. Elasti cna membrana je napolnjena z vodo, zato ima ve cji volumen; njen premer je r0. Skozi sobo se nato izlo ca curek vode, kar po zene vozilo in membrana se za cne kr citi. Curek vode se ustavi, ko membrana dose ze togo ogrodje vozila in je njen premer r1 < r0. Pristopi in izzivi izdelave mehkih robotov Pro znost materialov { sploh na stikih razli cnih elementov robota { predsta- vlja osrednji izziv za izdelavo mehkih robotov, saj obi cajne tehnike, kot sta na primer spajanje in varjenje, ne pridejo v po stev [4]. Da je napetost stikov ob spreminjanju volumna ali oblike cim manj sa, morajo imeti vsi materi- ali robota cim bolj podobno mehansko trdnost, torej podoben pro znostni modul. Materiali, kot so kovine in trda plastika, iz katerih so narejeni obi- cajni roboti, imajo tipi cne vrednosti pro znostnega modula ve cje od 10 9 Pa, pro znostni modul ve cine tkiv v zivih organizmih, na primer ko ze in mi sic, pa ima velikost med nekje 10 2 in 10 6 Pa. Prav to razhajanje je v ozadju stevilnih izzivov pri na crtovanju in izdelavi mehkih robotov. Najbolj pogosto uporabljena metoda za izdelavo mehkih robotov je vli- vanje v modele (»molding«), kjer v kalupe vlivajo teko ce materiale (npr. silikonsko gumo), ki se nato strdijo in jih lahko iz kalupa odstranijo. Po- gosta te zava, ki se pojavlja pri tem postopku, so zra cni mehur cki, ki se ujamejo v material, kar pa lahko re sijo z vakuumskim razplinjevanjem ali s centrifugo [20]. Obstaja pa tudi ve c drugih pristopov za izdelavo mehkih robotov. Me- toda oblikovnega odlaganja (»shape deposition manufacturing«) temelji na tem, da se material in podporna struktura nalagajo v plasteh in sproti obli- kujejo, kar je posebej primerno za vklju cevanje cipov, vezij in zic v polimere [4]. Metoda izdelave pametnih mikrokompozitov (»smart composite micro- structure«) zdru zuje polimere okrepljene z ogljikovimi vlakni z elasti cnimi polimeri, ki delujejo kot sklepi, kar se izka ze posebej uporabno predvsem za manj se robote, ki merijo nekaj mm. Tretja metoda, ki se uporablja za izdelavo mehkih robotov, pa je 3D-tiskanje, pri kateri pa se lahko uporabi ve c razli cnih materialov, s cimer dobijo strukture, ki imajo lokalno razli cne mehanske lastnosti [4]. 41–56 47 i i \Erzin" | 2022/6/13 | 8:44 | page 48 | #8 i i i i i i Lara Erzin Pogon mehkih robotov Pogonski mehanizmi Aktuator je osnovni element robota, ki omogo ca njegovo premikanje ali poganjanje, pri cemer sprejme nek signal { elektri cni, svetlobni, . . . { in ga nato pretvori v mehansko spremembo kot npr. spremembo oblike dela robota. Klasi cni aktuatorji za svoje delovanje ve cinoma izkori s cajo hidra- vli cne, pnevmati cne ali elektri cne principe, so pa praviloma zaradi svoje te ze, velikosti in togosti pogosto neprimerni za uporabo v mehkih robotih [1, 14]. Aktuatorji mehkih robotov so zato narejeni praviloma iz mehkih ma- terialov, izvajajo lahko kompleksne premike in imajo veliko tako aktivnih kot pasivnih prostostnih stopenj [27]. Pogonski mehanizmi, preko katerih delujejo aktuatorji, so razli cni [11] in vklju cujejo na primer svetlobne, elektri cne ali magnetne signale, ki se lahko to cno in hitro spreminjajo in hkrati delujejo na daljavo. Za biomedicinsko uporabo so toplotni signali, kot je na primer gretje z UV-svetlobo, pogosto bolj varni, a so velikokrat tudi po casnej si in manj u cinkoviti. Aktuatorji, ki delujejo na teko cino pod pritiskom, lahko proizvajajo velike sile in so lahko precej lahki, a obi cajno zahtevajo povezavo z zunanjo crpalko. Aktuatorji, ki jih poganjajo spremembe v kemijski sestavi, vlagi ali pH, morajo delovati v teko cini v natan cno kontroliranem okolju, poleg tega pa je odzivni cas po navadi dalj si [11]. Materiali Pogonski mehanizem in vzbujevalni signal, preko katerega deluje aktua- tor, bistveno vpliva na primernost materiala za izdelavo mehkih robotov. Najbolj pogosto uporabljeni materiali za aktuatorje v mehkih robotih so polimeri, geli, teko cine, papir in ogljik [11]. Polimeri so sestavljeni iz zelo dolgih molekul, ki pa sestojijo iz ponav- ljajo cih se manj sih strukturnih enot { monomerov. Poznamo umetno sinteti- zirane polimere, to sta na primer silikonska guma in poliuretan, in naravne polimere, kar so na primer DNK in razli cni proteini. V mehki robotiki so pogosto uporabljeni polimeri iz teko cih kristalov, polimeri z oblikovnim spominom (»shape-memory polymers«) in dielektri cni polimeri [11]. Princip delovanja dielektri cnega elastomera je prikazan na sliki 5, kjer napetost na elektrodah povzro ci mehansko napetost in posledi cno spremembo debeline elastomera [29]. Aktuatorje, ki delujejo na osnovi teko cin, po navadi aktivira sprememba tlaka ali viskoznosti [11]. Izziv pri razvoju takih aktuatorjev je, da je tok teko cin lahko kompleksen in v casih ob stiku s povr sinami ali drugimi teko- cinami pride do ne zelenega me sanja. Poleg tega so lastnosti mnogih teko cin mo cno pogojene z okoljskimi dejavniki. Eden od pristopov kontrole teko cine 48 Obzornik mat. fiz.69 (2022) 2 i i \Erzin" | 2022/6/13 | 8:44 | page 49 | #9 i i i i i i Mehka robotika Slika 5. Princip delovanja aktuatorja iz dielektri cnega elastomera. Napetost na elektrodah povzro ci spremembo debeline elastomera, kar povzro ci mehansko napetost v smeri sirjenja elastomera. je, da se povr sino teko cine prekrije s koloidnimi delci (hidrolnimi, hidrofob- nimi, . . . ), kar npr. lahko onemogo ci stik s povr sinami in prepre ci me sanje razli cnih teko cin [11]. Primer aktuatorja, ki deluje na osnovi teko cine, je prikazan na sliki 6. Znotraj polimernega ovoja, na katerega so naparjene elektrode, je dielektri cna teko cina. Napetost na elektrodah povzro ci stiska- nje polimernega ovoja, kar teko cino potisne naprej in povzro ci razteg vzmeti na koncu aktuatorja. Ko se napetost izklju ci, se vzmet spet skr ci in teko cina ste ce nazaj [16]. Ogljikove nanocevke se pogosto vklju cijo v aktuatorje za mehke robote, ceprav imajo relativno visok elasti cni modul ( > 1 TPa) [11]. Poleg nano- cevk se v aktuatorje vklju cujejo tudi atomi ogljika in grafen, saj imajo vsi ti materiali visoko elektri cno in toplotno prevodnost. Nanocevke so lahko narejene iz ene ali ve c plasti grafena, pri cemer je njihov premer tipi cnih dimenzij 1 nm, dol zina pa je lahko tudi milijonkrat ve cja. Lahko so pre- vodne ali polprevodne, odvisno od kota, pod katerim je zvita plast grafena. Ceprav je raztezek ogljikovih struktur, v primerjavi z drugimi aktuatorji v mehki robotiki, tipi cno manj si, pa jih ravno zaradi zanimivih elektri cnih in toplotnih lastnosti velikokrat uporabljajo [11]. Na sliki 7 je prikazano delovanje aktuatorja v obliki ro ze, ki je narejen iz tanke plasti grafena. Z ustrezno obdelavo povr sine dose zejo, da se sredina plasti grafena dr zi povr- sine. To strukturo postavijo v vodo in ob segrevanju vode se listi zlo zijo, sredina pa ostane na mestu. Ob ponovnem ohlajanju se listi raztegnejo v prvotno obliko [28]. 41–56 49 i i \Erzin" | 2022/6/13 | 8:44 | page 50 | #10 i i i i i i Lara Erzin Slika 6. Shema delovanja aktuatorja na osnovi dielektri cne teko cine. Napetost na elek- trodah povzro ci stiskanje ovoja, kar teko cino potisne v lovko in vzmet se raztegne. Ko se napetost izklju ci, teko cina ste ce nazaj v ovoj in vzmet se spet zvije. Slika 7. Prikaz delovanja aktuatorja iz grafena v obliki ro ze. Ob pove canju temperature T se listi zlo zijo, sredina plasti grafena pa ostane na mestu. Ob ponovnem ohlajanju se listi raztegnejo v prvotno obliko. 50 Obzornik mat. fiz.69 (2022) 2 i i \Erzin" | 2022/6/13 | 8:44 | page 51 | #11 i i i i i i Mehka robotika Krmiljenje mehkih robotov Krmiljenje je klju cen del delovanja vsakega robota, saj z njim dolo camo delo oziroma funkcije, ki jih robot lahko avtonomno ali kontrolirano opravlja. Gibanje mehkih robotov je pogosto te zko predvideti ali meriti, zato je delo- vanje mehkih robotov pogosto omejeno na vodenje brez povratne zanke [6]. To pomeni, da robot nima povratne informacije in se giba avtonomno, tudi brez informacije o dogajanju v svoji okolici. Za vodenje s povratno zanko, pri katerem vodenje prilagajamo in stanje sistema primerjamo z referenco, pa moramo biti sposobni meriti gibanje robota [30]. Ponovno zaradi narave mehkih robotov, njihovega gibanja praviloma ne moremo meriti s tradici- onalnimi senzorji (kot npr. piezoelementi, . . . ). Idealni senzorji v mehki robotiki bi bili gibljivi, lahki in ne bi omejevali gibanja samega robota. Povsem mehki senzorji zato praviloma temeljijo na uporabi elastomerov, pri cemer na primer merijo upornost ali pa intenziteto prepu s cene svetlobe. Primer takega mehkega senzorja je prikazan na sliki 8. Skozi elastomer pre- vle cen z odbojno plastjo, ki deluje kot valovni vodnik, potuje svetloba. Ko se elastomer zaradi napetosti raztegne, se v neelasti cni odbojni plasti poja- vijo odprtine, zaradi cesar del svetlobe uide iz valovoda in njena intenziteta se zmanj sa [23]. Pogosta te zava s takimi senzorji je, da je te zko sklepati, kak sna deformacija je povzro cila spremembo intenzitete. Slika 8. Princip delovanja mehkega opti cnega senzorja. Svetloba potuje skozi elastomer prevle cen z odbojno plastjo. Ob raztezku elastomera zaradi sile F se v odbojni plasti po- javijo odprtine in del svetlobe uide, zaradi cesar se intenziteta svetlobe na koncu valovnega vodnika zmanj sa. Pogosto se kot senzorje za krmiljenje mehkih robotov uporabljajo tudi dielektri cni elastomeri, in sicer tako, da tanko plast elastomera vstavijo med dve mehki elektrodi, s cimer dobijo kondenzator. Ko se zaradi mehanske napetosti spreminja debelina elastomera, se s tem spreminja tudi kapacitiv- nost. Pogost izziv pri takih senzorjih predstavlja temperaturna odvisnost dielektri cne konstante. Na primer pri spremembi temperature od 40 °C do 100 °C v nekaterih polimerih lahko pride tudi do 30 % pove canja dielektri cne konstante [6]. 41–56 51 i i \Erzin" | 2022/6/13 | 8:44 | page 52 | #12 i i i i i i Lara Erzin Prvi avtonomni mehki robot Podro cje mehke robotike je v relativno za cetnih stopnjah razvoja, tako da velika ve cina razvitih mehkih robotov vklju cuje trde komponente, kar vodi do hibridnih sistemov. Za gibanje ponavadi potrebujejo zunanje napaja- nje in vodenje, pogosto prav tako v obliki togih sistemov. Ravno zato je napredek, ki ga je leta 2016 dosegla skupina na Univerzi Harvard, tako pomemben. Razvili so Octobota (glej sliko 9), prvega povsem mehkega av- tonomnega robota, ki za delovanje ne potrebuje zunanjega napajanja ali vodenja. Octobot sicer nima velike uporabne vrednosti, saj zmore za zdaj le manj se premike svojega telesa. Slika 9. Prvi avtonomni mehki robot Octobot in njegovo delovanje. Na osnovi mikroui- dnega logi cnega vezja Octobot preklaplja med dvema na cinoma aktuacije. 1) Najprej plin potuje v stiri izmed lovk (ozna cene z modrimi pu s cicami) in povzro ci njihov premik, nato pa preko ventila odte ce v okolico. 2) Zatem plin ste ce v preostale stiri lovke (ozna cene z rde cimi pu s cicami) in povzro ci aktuacijo. Ta proces se ponavlja, dokler v rezervoarjih ne zmanjka goriva. Ponatisnjeno z dovoljenjem Macmillan Publishers Ltd: Nature (An integrated design and fabrication strategy for entirely soft, autonomous robots, Wehner, M., Truby, R., Fitzgerald, D. et al.), copyright 2016. Octobot je povsem mehek pnevmati cni robot z osmimi lovkami. Giblje se avtonomno, brez vpliva okolice. Njegovo telo je narejeno iz silikona, za iz- delavo telesa so uporabili vlivanje v modele in 3D-tiskanje. Senzorjev robot nima, torej gre za vodenje brez povratne zanke, saj svojega gibanja ni zmo- zen prilagajati okolju. Napajanje poteka preko razpada monopropelanta, torej goriva, ki energijo spro s ca preko eksotermnega kemijskega razpada ob stiku s katalizatorjem. Ob tem se sprosti plin, ki ga nato robot uporabi za aktuacijo. Napajanje vodi mikrouidno logi cno vezje, ki je v grobem sestavljeno iz treh delov: rezervoarja za gorivo, oscilatorja, ki kontrolira do- 52 Obzornik mat. fiz.69 (2022) 2 i i \Erzin" | 2022/6/13 | 8:44 | page 53 | #13 i i i i i i Mehka robotika Slika 10. Shema mikrouidnega krmilnika Octobota. Glavni trije deli so rezervoarja za gorivo, oscilator ter prekata, kjer pote ce reakcija. Prilagojeno ponatisnjeno z dovoljenjem Macmillan Publishers Ltd: Nature (An integrated design and fabrication strategy for entirely soft, autonomous robots, Wehner, M., Truby, R., Fitzgerald, D. et al.), copyright 2016. vajanje goriva, in prekata, kjer poteka reakcija. Njegova shema je prikazana na sliki 10. Pri izdelavi Octobota so poleg vezja s 3D tiskanjem v elastomer dodali tudi kanale z dvema vrstama crnila. Eno izmed crnil { ube zno cr- nilo { je namenjeno ustvarjanju kanalov, po katerih se ob delovanju pretaka plin. Izdelano je na osnovi vode in ga po tiskanju odstranijo z izhlapeva- njem, da dobijo odprte kanale. Drugo crnilo pa vsebuje platino, ki deluje kot katalizator za gorivo. Potek delovanja Octobota je prikazan na sliki 9. Za delovanje najprej v dva rezervoarja vbrizgajo 0,5 ml goriva (H 2 O 2 ), od koder te ce v oscilator, kjer sistem ventilov pretvori enotni tok goriva v izmeni cni tok. Medtem ko je tok iz enega kanala za casno prekinjen, gorivo iz drugega kanala te ce v prekat, v katerega je bila ze prej vbrizgana platina. Tam pote ce reakcija razpada teko cega vodikovega peroksida v vodo in kisik 2H 2 O 2 (l)! 2H 2 O (l, g) + O 2 (g) ; pri cemer nastaja torej plin kisik, zaradi cesar se volumen goriva pri danem tlaku pove ca za faktor 160-krat. Nastali plin nato te ce v stiri lovke, ki se zaradi plina raz sirijo, kar povzro ci premik. Nato se plin skozi ventil sprosti v okolico. Takrat se sprosti tok goriva iz drugega kanala in postopek se ponovi, le da tokrat plin napolni druge stiri lovke [25]. Ta proces se nato ponavlja, dokler ne zmanjka goriva, kar je za opisan sistem pribli zno osem minut. 41–56 53 i i \Erzin" | 2022/6/13 | 8:44 | page 54 | #14 i i i i i i Lara Erzin Kot omenjeno, Octobot za zdaj nima posebne uporabne vrednosti, saj nima senzorjev, ni zmo zen interagirati z okolico ter zmore le manj se pre- mike. Kljub temu pa je pomemben za nadaljnji razvoj mehke robotike, saj prikazuje mo znost izdelave povsem mehkih robotov. Taki roboti bi za- radi mehkosti in potencialne enostavnosti izdelave lahko v prihodnosti imeli pomembno vlogo v medicini in na nekaterih drugih podro cjih [5]. Zaklju cek Razvoj podro cja mehke robotike se je za cel sele nedavno, zaradi cesar je za zdaj ve cina raziskav usmerjena v iskanje ustreznih materialov in njihovo implementacijo v robotske sisteme. Inherentne prednosti { sploh mehkost in dobra biokompatibilnost { nakazujejo nabor zanimivih mo znih aplikacij od medicinskih pripomo ckov do uporabe v vesolju [12]. NASA na primer razvija mehke robote, ki bi se uporabili pri raziskovanju Lune ali Marsa [17], skupina znanstvenikov v Svici pa razvija mikrorobote, velikosti le 10 m, ki bi omogo cali minimalno invazivne operacije [7]. Da pa bi povsem mehki roboti zares postali sir se uporabni, je treba poiskati nove algoritme za nad- ziranje gibanja mehkih robotov, ki bodo upo stevali zna cilnosti materialov in njihovo dinamiko, poiskati hitrej se in cenej se metode izdelave ter zagotoviti enostavnost upravljanja mehkih robotov. Splo sneje vsebine mehke robotike odpirajo nove vsebine na naboru znanstvenih podro cij od bioin zeniringa in medicine do zike materialov [14]. LITERATURA [1] R. Addinall, T. Ackermann in I. Kolaric, Nanostructured Materials for Soft Robotics { Sensors and Actuators, Soft Robotics: Transferring theory to application, 147{156 (2015), dostopno na https://doi.org/10.1007/978-3-662-44506-8_13, ogled 30. 5. 2022. [2] E. Anderson, W. Quinn in M. De Mont, Hydrodynamics of locomotion in the squid Loligo pealei, Journal of Fluid Mechanics 436, 249{266 (2001), dostopno na 10.1017/ S0022112001004037, ogled 30. 5. 2022. [3] C. E. Brennen, A review of added mass and uid inertial forces , Naval civil engineering laboratory, California, 1982. [4] KJ. Cho, JS. Koh, S. Kim, WS. Chu, Y. Hong in SH. Ahn, Review of Manufacturing Processes for Soft Biomimetic Robots, International Journal of Precision Enginee- ring and Manufacturing 10, 171{181 (2009), dostopno na https://doi.org/10.1007/ s12541-009-0064-6, ogled 30. 5. 2022. [5] N. Daly, Octopus Inspires World’s First Soft, Autonomous Robot, National Geo- graphic, maj 2017, dostopno na https://www.nationalgeographic.com/magazine/ article/explore-octobot-soft-robot, ogled 30. 5. 2022. 54 Obzornik mat. fiz.69 (2022) 2 i i \Erzin" | 2022/6/13 | 8:44 | page 55 | #15 i i i i i i Mehka robotika [6] W. Felt, Sensing Methods for Soft Robotics, doktorsko delo, The University of Michi- gan, 2017. [7] S. Fusco, M. S. Sakar, S. Kennedy, C. Peters, R. Bottani, F. Starsich, A. Mao, G. A. Sotiriou, S. Pan e, S. E. Pratsinis, D. Mooney in B. J. Nelson, An integrated microro- botic platform for on-demand, targeted therapeutic interventions, Advanced Materials 26, 952{957 (2014), dostopno na https://doi.org/10.1002/adma.201304098, ogled 30. 5. 2022. [8] F. Giorgio-Serchi in G. Weymouth, Drag cancellation by added-mass pumping, Journal of Fluid Mechanics 798, R3 (2016), dostopno na 10.1017/jfm.2016.353, ogled 30. 5. 2022. [9] F. Giorgio-Serchi in G. D. Weymouth, Underwater Soft Robotics, the Benet of Body- Shape Variations in Aquatic Propulsion, Soft Robotics: Trends, Applications and Challenges, Biosystems & Biorobotics 17, 37{46 (2017), dostopno na https://doi. org/10.1007/978-3-319-46460-2_6, ogled 30. 5. 2022. [10] J. M. Gosline in R. E. Shadwick, The role of elastic energy storage mechanisms in swimming: an analysis of mantle elasticity in escape jetting in the squid, Loligo opalescens, Canadian Journal of Zoology 61(6), 1421{1431 (1983), dostopno na https: //doi.org/10.1139/z83-191, ogled 30. 5. 2022. [11] L. Hines, K. Petersen, G. Z. Lum in M. Sitti, Soft Actuators for Small-Scale Ro- botics, Advanced Materials 29, 1603483 (2017), dostopno na https://doi.org/10. 1002/adma.201603483, ogled 30. 5. 2022. [12] F. Iida in C. Laschi, Soft Robotics: Challenges and Perspectivess, Procedia Computer Science 7, 99{102 (2011), dostopno na https://doi.org/10.1016/j.procs.2011.12. 030, ogled 30. 5. 2022. [13] J. M. J. Journ ee in W. W. Massie, Oshore Hydromechanics , Delft University of Technology, Delft, Nizozemska (2001). [14] S. Kim, C. Laschi in B. Trimmer, Soft robotics: a bioinspired evolution in robotics, Trends in Biotechnology 31, 287{294 (2013), dostopno na https://doi.org/10.1016/ j.tibtech.2013.03.002, ogled 30. 5. 2022. [15] C. Laschi, F. Iida, J. Rossiter, M. Cianchetti in L. Margheri, Introduction, Soft Robotics: Trends, Applications and Challenges, Biosystems & Biorobotics 17, 1{4 (2017), dostopno na https://doi.org/10.1007/978-3-319-46460-2_1, ogled 30. 5. 2022. [16] P.-W. Lin in C.-H. Liu, Bio-Inspired Soft Proboscis Actuator Driven by Dielectric Elastomer Fluid Transducers, Polymers 11, 142 (2019), dostopno na https://doi. org/10.3390/polym11010142, ogled 30. 5. 2022. [17] J. Miley, NASA Develops Soft Robots for Future Space Missions, Intere- sting Engineering, 2019, dostopno na https://interestingengineering.com/ nasa-develops-soft-robots-for-future-space-missions, ogled 30. 5. 2022. [18] S. G. Nurzaman, F. Iida, L. Margheri in C. Laschi, Soft Robotics on the Move: Sci- entic Networks, Activities, and Future Challenges , Soft Robotics 1, 154{158 (2014), dostopno na http://doi.org/10.1089/soro.2014.0012, ogled 30. 5. 2022. 41–56 55