소프트 로보틱스 (Soft Robotics)는 살아있는 생명체에서 발견되는 것과 유사한 고도로 순응하는 물질로 로봇을 제작하는 로봇의 하위 분야입니다.

소프트 로봇은 살아있는 유기체가 움직이고 주변 환경에 적응하는 방식에서 크게 벗어납니다. 견고한 재료로 제작 된 로봇과는 달리, 소프트 로봇은 작업 수행시 유연성과 적응성을 향상시킬뿐만 아니라 사람 주위에서 작업 할 때 향상된 안전성을 제공합니다. 이러한 특성은 의학 및 제조 분야에서 잠재적 인 사용을 허용합니다.

유형 및 디자인
소프트 로봇 분야의 대부분은 준수 재료로 제작 된 로봇의 설계 및 제작을 기반으로하며, 최종 결과는 웜 및 문어와 같은 무척추 동물과 유사합니다. 이러한 로봇의 동작은 연속체 역학이 적용될 때 모델링하기가 어렵고 연속체 로봇이라고도합니다. 소프트 로보틱스 (Soft Robotics)는 살아있는 생물체에서 발견되는 것과 유사한 고도로 순응하는 물질로 로봇을 만드는 로봇을 다루는 특정 하위 분야입니다. 유사하게, 부드러운 로봇 공학은 또한 살아있는 유기체가 움직이고 주변 환경에 적응하는 방식에서 크게 벗어납니다. 이를 통해 과학자들은 부드러운 로봇을 사용하여 원래 생물학적으로 쉽게 수행 할 수없는 실험을 통해 생물학적 현상을 이해할 수 있습니다. 견고한 재료로 제작 된 로봇과는 달리, 소프트 로봇은 작업 수행시 유연성과 적응성을 향상시킬뿐만 아니라 사람 주위에서 작업 할 때 향상된 안전성을 제공합니다. 이러한 특성은 의학 및 제조 분야에서 잠재적 인 사용을 허용합니다. 그러나 연속체 변형이 가능한 딱딱한 로봇, 특히 뱀 팔 로봇이 있습니다.

또한, 특정 소프트 로봇 메카닉은 더 큰 잠재적 인 경직된 로봇에서 조각으로 사용될 수 있습니다. 부드러운 로보 틱 엔드 이펙터는 물체를 잡거나 조작하기 위해 존재하며, 섬세한 물체를 부수 지 않고 유지할 수있는 낮은 힘을 생성 할 수있는 이점이 있습니다.

또한, 하이브리드 소프트 딱딱한 로봇은 안전을 위해 부드러운 외부 구조가있는 내부 딱딱한 틀을 사용하여 제작할 수 있습니다. 부드러운 외부는 다기능 일 수 있습니다. 척추 동물의 근육과 비슷하게 로봇의 액추에이터 역할을 할 수 있고, 사람과의 충돌시 패딩 역할을 할 수 있기 때문입니다.

생체 모방
식물 세포는 세포질과 외부 환경 사이의 용질 농도 구배 (삼투압 가능성)로 인해 정수압을 본질적으로 생성 할 수 있습니다. 또한 식물은 세포막을 가로 지르는 이온의 이동을 통해이 농도를 조절할 수 있습니다. 이것은 정수압의 변화에 ​​반응하여 식물의 모양과 부피를 변화시킵니다. 이러한 압력 유도 형상 변화는 부드러운 로봇 공학에 바람직하며 유체 흐름을 사용하여 압력 적응 형 재료를 생성하도록 에뮬레이션 할 수 있습니다. 다음 수식은 셀 볼륨 변화율을 모델링합니다.

는 요금입니다. 볼륨 변경.
는 세포막입니다.
는 자료.
는 정수압의 변화입니다.
는 삼투압의 변화.

이 원리는 부드러운 로봇 공학을위한 압력 시스템의 생성에 활용되었습니다. 이 시스템은 연질 수지로 구성되어 있으며 반투막을 통해 여러 개의 유체 주머니가 있습니다. 반투과성은 유체 전달을 허용하여 압력 생성을 유도합니다. 유체 수송과 압력 생성의 조합은 모양과 부피 변화를 유도합니다.

생물학적으로 고유 한 모양 변화 메커니즘은 흡습성 형태 변화이다. 이 메커니즘에서 식물 세포는 습도의 변화에 ​​반응합니다. 주위의 대기가 습도가 높으면 식물 세포는 팽창하지만 주변 대기가 습도가 낮 으면 식물 세포가 수축합니다. 이 체적 변화는 꽃가루 곡물과 소나무 콘 비늘에서 관찰되었습니다.

과학적 도전
IEEE.org 그룹에 따르면, 이러한 도전은 학제 적이며 일부는 여전히 장래성을 고려합니다. 그들은 특히 관심을 가진다.

생체 모방의 기여 생물체의 대부분은 부드러운 존재들로 이루어져 있으며 내부 장기는 거의 항상 그렇습니다.
“소프트 로봇 기관”의 모델링 및 시뮬레이션을위한 방법 및 도구 (소프트웨어) (아마도 복잡한 3D로 인쇄 된 “모노 블록”); 많은 로봇들이 무척추 동물을 연상시키는 형태를 가지고 있지만, 부드러운 로봇 공학은 또한 복잡한 휴머노이드 로봇을 만드는 데 기여할 수 있습니다.
비 전통적인 유연성 재료에 대한 연구 (여전히 탐색 단계에 있음);
로봇 응용 프로그램의 전부 또는 일부 (기존 및 미래)에 사용 가능하고 유용하거나 바람직한 유연한 재료의 계층 적 인벤토리.
이 유형의 로봇을 제조 및 / 또는 조립하는 최상의 도구 및 방법;
다소 탄성적이고 변형 가능한 구조로 “유연하고 확장 가능한”센서 7 (가능한 광전지 스킨 포함)로 진화해야하는 센서의 통합;
가능하면 “모듈 식”및 / 또는 “수동적 적응”(에너지 절약) 시스템 강화를위한 소프트 로봇에 적용되도록 수정 된 작동;
내부 자체 구성 및 분산 제어 기능
완전히 수정 된 제어 시스템 (코보 틱);
프로토 타이핑, 테스팅 (에이징 포함);
유연성있는 로봇 공학에서의 지식과 기술 노하우의 보강과 더 나은 공유;
탄력성 문제와 관련하여 “자기 구속”을위한 기회;
자기 복제;
“소프트 로봇”을위한 어플리케이션.

로봇 특이성
가요 성 로봇은 형태, 크기, 탄성 정도 및 구조의 일관성에 의해 어느 정도 구속 된 탄성 변형을 생성하거나받을 수 있기 때문에 환경과 다르게 상호 작용합니다.

종종 (필수적이지는 않지만) 생체 모방 (또는 생체 영감)이며, 항상 특정 물질의 사용을 특징으로합니다.

그의 액추에이터는 부분적으로 다르거 나 적응되어 있습니다.

그들은 단점과 딱딱한 로봇보다 장점이 있습니다.

단점
소프트 로봇 분야는 여전히 매우 부상하고 있습니다. 그것은 단지 몇 가지 프로토 타입에 의해서만 증명되었습니다. 예비 부품이나 소프트 로봇이 없거나 거의 판매되지 않고 있으며 R & amp; D 자금 조달은 여전히 ​​고전 로봇을 우선적으로 지향합니다.

연성 재료 (특히 복잡한 경우 유연한 구조)의 거동은 경질 재료보다 모델링하기가 훨씬 어렵고 따라서 제어 및 작동이 더 어려워집니다.
그 중 일부를 구성하는 부드러운 소재는 특정 외부 공격에 취약합니다 (일부 경우에는 “부드러운”문자로 충격이나 “펀칭”효과를 흡수하고 로봇을 보호 할 수 있음).

장점
변형 가능한 구조는 부드러운 로봇이 불확실한 환경 (예 : 높은 난기류, 불균형 한지면에서의 이동 및 알 수없는 형태의 물체에서의 변위, 형태의 그립 물체의 작용, 미지의 불확실성 등)에서 더 잘 적응할 수있게 해줍니다. ) .. 또는 생체 또는 장기 (외과 용 또는 산업용 로봇의 경우)와 접촉하는 경우;

엘라스토머 주입이 급속히 진행되면서 특정 엘라스토머의 3D 인쇄가 가능 해지면 서로 다른 탄성을 지닌 신축성있는 폴리머 블렌드를 성형 (그리고 오늘날 인쇄) 할 수 있으며 새로운 가능성을 열어줍니다. 가까운 미래에 합성 고분자를 생체 고분자 또는 생화 세포와 연관시키는 것이 가능할 것으로 보인다.

일부 연성 및 탄성 재료는 상 변화 재료, 변형 가능한 구조 (예 : 스프링) 또는 형상 기억 또는 압축 가스의 통합과 같이 이론적으로 일정량의 에너지를 저장 및 방출 할 수 있습니다. 이 에너지는 로봇의 움직임 및 형상 변화에 사용될 수 있으며 다른 작업을 위해 동원 될 수 있습니다.

찢어 지거나 구멍이 뚫리거나 약간 손상된 후 열 가역성 공유 결합 네트워크 (소위 “Diels-Alder Polymers”또는 영어 사용자 용 Diels-Alder Polymers)로 구성된 특정 엘라스토머를 (간단히 약간 따뜻하게하고 냉각시킴으로써) 재결합하다; 자기 치유가 가능한 견고한 봉투 또는 기관이 가능해집니다. Science Robotics에서 2017 년에 발표 한 테스트에 따르면 재료는 인하 후 자체적으로 치료할 수 있으며 2 회 수리 / 치료 후에도 거의 완전한 성능을 보였음에도 불구하고 뒤로 움직일 수 있습니다. 문제의 폴리머에 피어싱 (piercing), 인열 (tearing) 또는 불어 내기 (blowing)에 의한 부상 후 유연성있는 로봇 (유연한 포셉, 손 및 인공 근육)자가 치유의 세 가지 공압 액추에이터에 대해 성공적으로 테스트되었습니다.

소프트 로봇은 종종 “클래식”로봇의 단단한 부분보다 훨씬 저렴합니다.

조작
드릴링 및 밀링과 같은 감산 기술과 같은 기존의 제조 기술은이 로봇이 변형 가능한 몸체로 복잡한 모양을 가지므로 부드러운 로봇을 제작할 때 도움이되지 않습니다. 따라서 더욱 발전된 제조 기술이 개발되었습니다. 그 중에는 형상 증착 제조 (SDM), 스마트 복합 미세 구조 (SCM) 공정 및 3D 다 재료 인쇄가 있습니다.

SDM은 증착 및 가공이 주기적으로 발생하는 일종의 신속한 프로토 타이핑입니다. 본질적으로, 재료를 증착하고, 가공하고, 원하는 구조를 매립하고, 상기 구조에 대한 지지체를 증착 한 다음, 상기 증착 된 재료 및 매립 된 부분을 포함하는 최종 형상으로 상기 제품을 기계 가공한다. 임베디드 하드웨어에는 회로, 센서 및 액추에이터가 포함되어 있으며 과학자들은 Stickybot 및 iSprawl와 같은 부드러운 로봇을 만들기 위해 폴리머 물질 내부에 컨트롤을 성공적으로 내장했습니다.

SCM은 탄소 섬유 강화 폴리머 (CFRP)의 강체와 유연한 폴리머 인대를 결합하는 프로세스입니다. 유연한 폴리머는 해골의 조인트 역할을합니다. 이 과정을 통해 CFRP와 폴리머 인대의 통합 구조가 레이저 가공과 라미네이션을 사용하여 만들어집니다. 이 SCM 프로세스는 폴리머 커넥터가 핀 조인트에 대한 낮은 마찰 대안 역할을하기 때문에 메조 스케일 로봇 생산에 활용됩니다.

3D 인쇄는 이제 직접 잉크 쓰기 (DIW)라고도하는 Robocasting을 사용하여 다양한 실리콘 잉크를 인쇄하는 데 사용할 수 있습니다. 이 제조 경로를 통해 국부적으로 정의 된 기계적 성질을 가진 유체 탄성 중합체 액추에이터를 원활하게 생산할 수 있습니다. 또한 프로그래머블 바이오 인피니언 아키텍처 및 모션을 보여주는 공압 실리콘 액츄에이터의 디지털 제작이 가능합니다. 굽힘, 비틀림, 잡기 및 수축 동작을 포함한이 방법을 사용하여 광범위한 기능의 소프트 로봇이 인쇄되었습니다. 이 기술은 접착 된 부품들 사이의 박리 (delamination)와 같은 종래의 제조 경로의 결점들을 회피한다. 감광성, 열적 활성화 또는 물 반응성을 갖는 형상 모핑 재료를 생산하는 또 다른 첨가제 제조 방법. 본질적으로, 이러한 중합체는 물, 빛 또는 열과 상호 작용할 때 자동으로 모양을 변화시킬 수 있습니다. 형상 모핑 재료의 하나의 이러한 예는 폴리스티렌 표적 상에 광 반응성 잉크젯 인쇄를 사용하여 생성되었다. 또한, 형상 기억 중합체는 두개의 상이한 성분 : 골격 및 경첩 물질을 포함하는 신속한 시제품 화되었다. 인쇄시, 재료는 힌지 재료의 유리 전이 온도보다 높은 온도로 가열된다. 이는 골격 재료에 영향을 미치지 않으면 서 힌지 재료의 변형을 허용한다. 또한,이 중합체는 가열을 통해 연속적으로 개질 될 수있다.

제어
모든 소프트 로봇은 로봇이 움직여서 환경과 상호 작용할 수 있도록 반응력을 생성하는 시스템이 필요합니다. 이 로봇의 규격에 따라이 시스템은 생물체의 뼈 또는 강체 로봇의 금속 프레임 역할을하는 강체를 사용하지 않고 로봇을 움직일 수 있어야합니다. 그러나,이 공학적 문제에 대한 몇 가지 해결책이 존재하며, 각각의 장점과 단점을 가지고있는 사용법을 발견했습니다.

이 시스템 중 하나는 고전압 전기장의 적용을 통해 모양이 바뀌는 DEA (Dielectric Elastomeric Actuators)를 사용합니다. 이러한 재료는 높은 힘을 생산할 수 있으며 높은 비 력 (W / kg)을 갖습니다. 그러나 이러한 재료는 단단한 골격에 작용하지 않을 때 비효율적이되므로 로봇의 응용 분야에 가장 적합합니다. 또한 필요한 고전압은 이러한 로봇의 잠재적 인 실용적인 응용 분야의 제한 요소가 될 수 있습니다.

다른 시스템은 형상 기억 합금으로 만들어진 스프링을 사용합니다. 금속으로 만들어졌지만, 전통적으로 딱딱한 재료 인 스프링은 매우가는 와이어로 만들어졌으며 다른 부드러운 소재와 마찬가지로 순응합니다. 이 스프링은 매우 높은 힘 대 질량비를 갖지만 열을 적용하면 에너지가 비효율적으로 늘어납니다.

공압 인공 근육은 소프트 로봇을 제어하는 ​​데 사용되는 또 다른 방법입니다. 플렉시블 튜브 내부의 압력을 변경함으로써 근육처럼 수축하고 확장하며 부착 된 부위에 힘을가합니다. 밸브를 사용하여 로봇은 추가 에너지 입력없이이 근육을 사용하여 주어진 모양을 유지할 수 있습니다. 그러나,이 방법은 일반적으로 작동하기 위해 압축 공기의 외부 공급원을 필요로합니다.

역사
오토 마톤과 기계식 장난감의 시계는 수십 년 동안 다양한 형태의 스프링과 때로는 가죽, 유연한 연결부를 형성하는 직물, 또는 에너지 용기로서 플라스크에서 꼬인 탄성 또는 압축 공기를 사용합니다. 그러나 실제로 견고하고 내구성있는 로봇을 만들기 위해 필요한 폴리머는 수십 년 동안 만 사용 가능했습니다.

약 반세기 동안 산업용 로봇은 단단하고 반복적 인 작업에 다소 적응했습니다. 다소 유연하거나 부드러운 소재가 때때로 제작에 사용되었지만 종종 중요성이있었습니다. 그들은 케이블, 유체 라인, 조인트 재킷, 진공 시스템 (예를 들면 깨지기 쉬운 물체를 쥐기위한) 또는 충격 감쇠 등에 사용되었습니다. 만화, 소설 및 영화의 과학 소설은 대중화 된 로봇이 종종 금속 갑옷을가집니다 인간형, 인공 피부 포함).

2009 년부터 2012 년까지 기술 실리콘, 다양한 성형 가능한 중합체, 형상 기억 재료의 출현으로 새로운 방법을 탐구 할 수있었습니다. electroactive 폴리머의 사용과 인공 근육 시스템 (electroactive hydrogel 기반의 인공 근육 시스템 포함)을 생산할 수 있다는 전망과 3D 프린터의 성능 향상과 더불어 특히 생체 모방 기술의 개발과 관련하여 스트레칭, 비틀림, 팽창, 모핑 (morphing) 등과 같은 새로운 능력을 허용하는 부드러운 로봇 공학은 고전 로봇의 엄격한 요소로는 불가능할 것입니다.

2013 년 인공 지능에 관한 국제 회의 및 그들의 관점을 요약 한 기사에서 취리히 대학의 Rolf Pfeifer와 그의 동료는 차세대 “지능형 기계”로 소프트 로봇과 생체 모방 기술을 발표했습니다.

최근 발견 및 데모는 다음과 같은 사항에 초점을 맞 춥니 다.

“기체 로봇”(공기보다 가벼운 로봇에 초점을 맞춘다)
코끼리 뿔이나 촉수처럼 부드럽고 유수 한 부속 장치의 관심은 아마도 소형화되었을 것이다. 이 경우 근육 수복물은 근육이나 결합 조직으로 만들어지며 삼투압이나 특정 식물이나 곰팡이 기관에서 가압을 가하면 모양이 바뀔 수 있습니다.
자동 감기 얀으로 매우 신축성이있다 (거미집을 덮는 방울의 원리를 모방)
모래 덩어리와 같은 단순한 재료를 사용하여 “방해 전이”의 원리를 통해 “모양을 잡을”수있어 로봇 포셉을 부드럽고 감싸는 것과 동등한 효과를 줄 수 있습니다.
형상 기억 재료
이온 중합체 금속 복합체
유전체 엘라스토머 (또는 유전체 엘라스토머의 경우 DE).
예를 들어 3D 인쇄를 사용하여 과산화 수소의 작은 저장조가 가스 공급원 역할을하는 무선 또는 배터리가없는 연성 로봇을 생산할 수 있습니다.이 과산화수소는 촉매 (백금)와 접촉하여 퍼 옥사이드를 접촉시킴으로써 활성화 될 수 있습니다 3D 인쇄 공압 챔버 (예 : Octobot 2016 년 발표)의 네트워크를 팽창시키는 것.
예견 전문가는 자체 수리, 성장, 재활용 또는 생분해가능한 로봇을 기대하며 다양한 작업 및 / 또는 환경에 대한 형태를 구성 할 수 있습니다.
소프트 마이크로 로봇 (아마도 미세한 것)은 (소프트 로봇과 소형화의 교차점의 논리적 인 결과로) 일부에 의해 기대되지만, (Jay) Kim과 같은 사람들은 왜 그런지 궁금해합니다. 그 (것)들을 발명하는 강제적 인 이유 또는 동기 부여 이유는 있는가?

용도 및 용도
소프트 로봇은 의료계에서 특히 침습 수술을 위해 구현 될 수 있습니다. 모양이 변하는 특성 때문에 수술을 돕기 위해 소프트 로봇을 만들 수 있습니다. 부드러운 로봇이 형태를 조정하여 인체의 여러 구조를 탐색 할 수 있으므로 모양 변경이 중요합니다. 이것은 유체 작동의 사용을 통해 달성 될 수 있습니다.

소프트 로봇은 또한 환자의 재활, 노인 지원 또는 간단하게 사용자의 힘을 향상시키기 위해 유연한 성형품 제작에 사용될 수 있습니다. Harvard의 한 팀은 강성 소재가 사람의 자연스러운 움직임을 제한하는 단점이 없도록 exosuit에서 제공하는 추가 강도의 이점을주기 위해 이러한 재료를 사용하여 exosuit를 만들었습니다.

전통적으로 인간과 충돌하는 단단한 로봇은 로봇의 급격한 움직임으로 인하여 쉽게 부상을 입을 수 있기 때문에 제조상의 로봇은 안전 문제로 인해 인력으로부터 격리되었습니다. 그러나 소프트 로봇은 충돌시 인간과 함께 안전하게 작업 할 수 있습니다. 따라서 로봇의 규격에 따라 부상을 예방하거나 최소화 할 수 있습니다.

국제 저널
소프트 로보틱스 (SoRo)
로봇과 인공 지능의 국경의 소프트 로보틱스 섹션
국제 행사
2018 Robosoft, 이탈리아, 리보르노, 2018 년 4 월 24-28 일, 소프트 로봇 공학에 관한 최초의 IEEE 국제 회의
2017 IROS 2017 햅틱 감각, 상호 작용 및 디스플레이, 2017 년 9 월 24 일, 밴쿠버, BC, 캐나다에 대한 부드러운 형태 학적 설계 워크샵
2016 년 첫 Soft Robotics Challenge, April 29-30, Livorno, Italy
2016 Soft Robotics week, 4 월 25-30, Livorno, 이탈리아
2015 “소프트 로봇 : 액츄에이터, 통합 및 어플리케이션 – 시애틀 워싱턴 ICRA2015에서 소프트 로봇 기술의 도약을위한 연구 관점의 융합”
2014 Soft Robotics의 발전에 관한 워크샵, 2014 Robotics Science an Systems (RSS) 컨퍼런스, 버클리, 캘리포니아, 2014 년 7 월 13 일
2013 년 7 월 14-19 일 몬테 베르 티타 (Monte Verità) 소프트 로봇 및 형태 학적 계산에 관한 2013 국제 워크샵
2012 년 6 월 18 일 -22 일, 취리히, 소프트 로보틱스 여름 학교

대중 문화에서
2014 년 디즈니 영화 Big Hero 6는 원래 건강 관리 업계에서 사용하도록 설계된 부드러운 로봇 인 Baymax를 중심으로 회전했습니다. 이 영화에서 Baymax는 기계적 골격을 감싸는 팽창 된 비닐 외장을 가진 커다란 아직 어울리지 않는 로봇으로 묘사됩니다. Baymax 개념의 기본은 카네기 멜론 (Carnegie Mellon)의 로보틱스 연구소 (Robotics Institute)에서 일하는 로봇 아티 케슨 (Chris Atkeson)과 같은 건강 관리 분야의 소프트 로봇 어플리케이션에 대한 실제 연구에서 나온 것입니다.

과학 공동체
“고전적”로봇 (산업, 군대 등)의 일부 요소는 오랫동안 부드럽고 때로는 신축성있는 재질로 만들어져 왔지만, 로봇의 아이디어는 거의 “연약”입니다. 고전적인 로봇 공학의 새로운 유형의 모델링 및 약간의 연구 (특히 폴리머 화학)와 관련이 있습니다. 디자인 및 건축의 원칙은 주로 검토되어야합니다.

2010 년 초, 국제 과학 및 기술 공동체는 소프트 로봇에 의해 열린 트랙을 탐구한다는 아이디어를 모았습니다.

2012 년 10 월부터 연구 공동체를 조정하는 임무를 수행하는 소프트 로봇 (IEEE Robotics)에 관한 IEEE RAS 기술위원회.
2014 년 이후 변형 가능한 로봇 전용 신문이 3 개월마다 발행됩니다.
프랑스에서는 INRIA의 연구팀이 그 전문 기술을 개발했습니다.

혁신
(유연한 로봇 수리 포함) 충족해야 할 과제 중 하나는 유연하고 탄력적 인 방수 접착제를 사용하는 것입니다. 2017 년 중반 학문 물리학 자들은 하드 및 / 또는 부드러운 물질 (전자 부품 포함)을 하이드로 겔에 붙일 수있는 고탄성 시아 노 아크릴 레이트 접착제를 실험실에서 생산하는 데 성공했다. 특정 의료 기기 및 유연한 로봇). 배터리와 전기 회로의 탄력성과 신축성을위한 길을 열어줍니다. 시아 노 아크릴 레이트는 유기 성분 (이는 용매없이 용해되기 쉽고 용해되기 쉽다)과 결합되어있다. 누르면 접착제의 설정은 몇 초가 걸립니다 29. 탄성 2000 %에 도달 할 수 있습니다.

2017 년 연구원들은 모터 또는 기계 시스템없이 움직일 수있는 최초의 소프트 로봇을 개발하는 데 성공했으며, 메모리 합금을 사용하여 항공 우주 및 나노 스코어링 연구에서 많은 가능성을 열었습니다.