Számos létező robotikai rendszer a természetből merít ihletet, mesterségesen reprodukálva a biológiai folyamatokat, a természetes struktúrákat vagy az állatok viselkedését konkrét célok elérése érdekében. Ennek az az oka, hogy az állatok és a növények természetüknél fogva olyan képességekkel vannak felszerelve, amelyek segítik őket a környezetükben való túlélésben, és ezáltal javíthatják a robotok teljesítményét a laboratóriumi körülmények között.
„A puha robotkarok a robotmanipulátorok új generációja, amelyek a „csont nélküli” organizmusok, például polipcsápok, elefánttörzsek, növények stb. által mutatott fejlett manipulációs képességekből merítenek ihletet” – mondta Enrico Donato, az egyik kutató a tanulmány, mondta a Tech Xplore. „Ezeknek az elveknek a mérnöki megoldásokba való átültetése olyan rugalmas, könnyű anyagokból álló rendszereket eredményez, amelyek sima rugalmas deformáción mennek keresztül, és így megfelelő és ügyes mozgást eredményeznek. Ezeknek a kívánatos jellemzőknek köszönhetően ezek a rendszerek alkalmazkodnak a felületekhez, fizikai robusztusságot és emberbiztonságos működést mutatnak potenciálisan alacsony költséggel.”
Míg a puha robotkarok a valós világ számos problémájára alkalmazhatók, különösen hasznosak lehetnek olyan feladatok automatizálására, amelyek olyan kívánt helyek elérésével járnak, amelyek a merev robotok számára elérhetetlenek lehetnek. A közelmúltban sok kutatócsoport próbált olyan vezérlőket kifejleszteni, amelyek lehetővé teszik, hogy ezek a rugalmas karok hatékonyan kezeljék ezeket a feladatokat.
„Általában az ilyen vezérlők működése olyan számítási megfogalmazásokon alapul, amelyek érvényes leképezést tudnak létrehozni a robot két működési tere, azaz a feladattér és az aktuátortér között” – magyarázta Donato. „Azonban ezeknek a vezérlőknek a megfelelő működése általában a látás-visszacsatoláson múlik, ami korlátozza érvényességüket laboratóriumi környezetben, korlátozva ezeknek a rendszereknek a bevethetőségét természetes és dinamikus környezetben. Ez a cikk az első kísérlet arra, hogy leküzdjük ezt a kezeletlen korlátot, és kiterjesztjük e rendszerek hatókörét a strukturálatlan környezetekre.”
"Az elterjedt tévhittel szemben, miszerint a növények nem mozognak, a növények aktívan és céltudatosan mozognak egyik pontról a másikra a növekedésen alapuló mozgási stratégiák segítségével" - mondta Donato. „Ezek a stratégiák annyira hatékonyak, hogy a növények a bolygó szinte minden élőhelyét megtelepíthetik, ez a képesség hiányzik az állatvilágból. Érdekes módon az állatokkal ellentétben a növények mozgási stratégiái nem a központi idegrendszerből fakadnak, hanem a decentralizált számítástechnikai mechanizmusok kifinomult formái miatt.
A kutatók vezérlőjének működését megalapozó szabályozási stratégia megpróbálja megismételni a növények mozgását megalapozó kifinomult decentralizált mechanizmusokat. A csapat kifejezetten viselkedésalapú mesterséges intelligencia eszközöket használt, amelyek alulról építkező struktúrában kombinált decentralizált számítástechnikai ágensekből állnak.
„A bio-ihlette vezérlőnk újdonsága az egyszerűségében rejlik, ahol a puha robotkar alapvető mechanikai funkcióit használjuk ki az általános elérési viselkedés generálására” – mondta Donato. „Konkrétan a puha robotkar redundáns lágy modulokból áll, amelyek mindegyikét sugárirányban elhelyezett működtetőelemek hármasa aktiválja. Köztudott, hogy egy ilyen konfigurációhoz a rendszer hat elvi hajlítási irányt tud generálni.
A csapat vezérlőjének működését alátámasztó számítástechnikai ágensek kihasználják az aktuátor konfigurációjának amplitúdóját és időzítését, hogy reprodukálják a növény két különböző típusú mozgását, amelyek a körülírás és a fototropizmus néven ismertek. A keringés a növényekben általában megfigyelhető oszcilláció, míg a fototropizmus olyan iránymozgás, amely közelebb hozza a növény ágait vagy leveleit a fényhez.
A Donato és munkatársai által megalkotott vezérlő képes váltani e két viselkedés között, így két szakaszon átívelő robotkarok szekvenciális vezérlését éri el. Ezen szakaszok közül az első egy felfedezési fázis, ahol a karok felfedezik a környezetüket, míg a második egy elérési fázis, ahol elmozdulnak, hogy elérjék a kívánt helyet vagy tárgyat.
„Ebből a munkából talán az a legfontosabb, hogy ez az első alkalom, hogy a redundáns puha robotkarok lehetővé teszik, hogy a laboratóriumi környezeten kívüli képességeket is elérjenek egy nagyon egyszerű vezérlési kerettel” – mondta Donato. „Továbbá a vezérlő bármilyen soft-ra alkalmazhatórobotkar hasonló működtetési elrendezést biztosított. Ez egy lépés a beágyazott érzékelési és elosztott vezérlési stratégiák alkalmazása felé a kontinuum és lágy robotokban.”
A kutatók eddig egy sor tesztben tesztelték vezérlőjüket, egy moduláris kábellel hajtott, könnyű és puha, 9 szabadságfokkal (9-DoF) rendelkező robotkar segítségével. Eredményeik nagyon ígéretesek voltak, mivel a vezérlő lehetővé tette a kar számára, hogy felfedezze a környezetét, és hatékonyabban érje el a célpontot, mint a múltban javasolt egyéb irányítási stratégiák.
A jövőben az új vezérlőt más puha robotkarokhoz is alkalmazhatják, és laboratóriumi és valós körülmények között is tesztelhetik, hogy jobban felmérjék, mennyire képes kezelni a dinamikus környezeti változásokat. Eközben Donato és kollégái azt tervezik, hogy továbbfejlesztik irányítási stratégiájukat, hogy az további robotkar-mozgásokat és -viselkedéseket tudjon előidézni.
„Jelenleg arra törekszünk, hogy javítsuk a vezérlő képességeit, hogy lehetővé tegyük az összetettebb viselkedéseket, mint például a célkövetés, a teljes kar összefonódása stb., hogy ezek a rendszerek hosszú ideig működhessenek természetes környezetben” – tette hozzá Donato.
Feladás időpontja: 2023-06-06