Robótica macia

A Soft Robotics é o subcampo específico da robótica que trata da construção de robôs a partir de materiais altamente compatíveis, semelhantes aos encontrados em organismos vivos.

A robótica macia baseia-se fortemente no modo como os organismos vivos se movem e se adaptam ao ambiente. Ao contrário dos robôs construídos com materiais rígidos, os robôs macios permitem maior flexibilidade e adaptabilidade para realizar tarefas, além de maior segurança ao trabalhar com humanos. Essas características permitem seu uso potencial nos campos da medicina e manufatura.

Tipos e desenhos
A maior parte do campo da robótica soft baseia-se no design e construção de robôs feitos completamente de materiais complacentes, com o resultado final sendo semelhante a invertebrados como vermes e polvos. O movimento desses robôs é difícil de modelar, pois a mecânica contínua se aplica a eles, e às vezes são chamados de robôs contínuos. A Soft Robotics é o sub-campo específico da robótica que lida com a construção de robôs a partir de materiais altamente compatíveis, semelhantes aos encontrados em organismos vivos. Da mesma forma, a robótica leve também se baseia fortemente no modo como esses organismos vivos se movem e se adaptam ao ambiente. Isso permite que os cientistas usem robôs flexíveis para entender fenômenos biológicos usando experimentos que não podem ser facilmente realizados nas contrapartes biológicas originais. Ao contrário dos robôs construídos com materiais rígidos, os robôs macios permitem maior flexibilidade e adaptabilidade para realizar tarefas, além de maior segurança ao trabalhar com humanos. Essas características permitem seu uso potencial nos campos da medicina e manufatura.No entanto, existem robôs rígidos que também são capazes de deformações contínuas, mais notavelmente o robô de braço de serpente.

Além disso, certos mecanismos robóticos macios podem ser usados ​​como peças em um robô maior e potencialmente rígido. Efetivos finais robóticos macios existem para agarrar e manipular objetos, e eles têm a vantagem de produzir uma força baixa que é boa para segurar objetos delicados sem quebrá-los.

Além disso, robôs híbridos macios e rígidos podem ser construídos usando uma estrutura rígida interna com exteriores macios para segurança. O exterior macio pode ser multifuncional, pois pode atuar tanto como atuadores para o robô, similar aos músculos dos vertebrados, quanto como preenchimento em caso de colisão com uma pessoa.

Biomimética
As células vegetais podem inerentemente produzir pressão hidrostática devido a um gradiente de concentração de soluto entre o citoplasma e o meio externo (potencial osmótico). Além disso, as plantas podem ajustar essa concentração através do movimento de íons através da membrana celular. Isso muda a forma e o volume da planta conforme ela responde a essa mudança na pressão hidrostática. Esta evolução da forma derivada da pressão é desejável para a robótica leve e pode ser emulada para criar materiais adaptáveis ​​à pressão através do uso de fluxo de fluido. A equação a seguir modela a taxa de alteração do volume da célula:


 é a taxa de mudança de volume.
 é a membrana celular.
 é a condutividade hidráulica do material.
 é a mudança na pressão hidrostática.
 é a mudança no potencial osmótico.

Este princípio foi aproveitado na criação de sistemas de pressão para robótica leve. Estes sistemas são compostos de resinas macias e contêm múltiplos sacos de fluido com membranas semipermeáveis. A semi-permeabilidade permite o transporte de fluidos, o que leva à geração de pressão. Essa combinação de transporte de fluido e geração de pressão leva à mudança de formato e volume.

Outro mecanismo de mudança de forma biologicamente inerente é a mudança de forma higroscópica. Nesse mecanismo, as células vegetais reagem às mudanças de umidade. Quando a atmosfera circundante tem uma alta umidade, as células da planta incham, mas quando a atmosfera circundante tem uma baixa umidade, as células da planta encolhem. Esta mudança de volume foi observada em grãos de pólen e escamas de pinhas.

Desafios Científicos
Segundo o grupo IEEE.org, esses desafios são interdisciplinares e alguns ainda consideram prospectivos; dizem respeito em particular:

As contribuições da biomimética Uma grande parte dos seres vivos é composta de seres suaves, e os órgãos internos são quase sempre assim.
Métodos e ferramentas (software) para modelagem e simulação de “órgãos robóticos macios” (possivelmente monoblocos complexos e impressos “em 3D); Muitos robôs têm uma forma que lembra os invertebrados, mas a robótica soft também pode contribuir para a criação de robôs humanóides complexos.
estudos de materiais flexíveis não convencionais (ainda em fase exploratória);
o inventário hierárquico de materiais flexíveis disponíveis e úteis ou desejáveis ​​para toda ou parte de aplicações robóticas (convencionais e futuras);
as melhores ferramentas e métodos de fabricação e / ou montagem deste tipo de robô;
a integração de sensores que devem evoluir para sensores “flexíveis e extensíveis” 7 (incluindo para uma possível camada fotovoltaica) numa estrutura mais ou menos elástica e deformável;
Uma actuação revista para ser adaptada ao robô macio, eventualmente “modular” e / ou potenciadora dos sistemas de “adaptações passivas” (poupança de energia);
capacidades internas de auto-organização e controle distribuído
sistemas de controle completamente revisados ​​(cobotics);
a prototipagem, teste (incluindo envelhecimento);
reforço e melhor partilha de conhecimento e know-how tecnológico em robótica flexível;
oportunidades de “auto-reparação”, em relação a questões de resiliência;
a auto-replicação;
aplicações para uma “robótica soft”.

Especificidades robóticas
Um robô flexível interage diferentemente com o seu ambiente, pois pode gerar ou passar por deformações elásticas mais ou menos limitadas por sua morfologia, tamanho, grau de elasticidade e coerência de sua estrutura.

É muitas vezes – mas não necessariamente – biomimético (ou bio-inspirado) e sempre caracterizado pelo uso de materiais específicos.

Seus atuadores são parcialmente diferentes ou adaptados.

Eles têm desvantagens e vantagens sobre robôs rígidos.

Desvantagens
O campo da robótica leve ainda é muito emergente. Provou-se apenas por alguns protótipos. Não existem ou poucas peças de reposição ou robôs flexíveis comercializados, e R & amp; O financiamento D ainda é preferencialmente orientado para a robótica clássica;

o comportamento de materiais macios (e estruturas flexíveis, especialmente quando eles são complexos) é muito mais difícil de modelar do que materiais duros e, portanto, mais difícil de controlar e operar;
Alguns dos materiais macios que os constituem são vulneráveis ​​a certas agressões externas (embora em alguns casos o caráter “suave” também permita absorver a energia de choques ou efeitos de “perfuração” e proteger o robô.

Vantagens
as estruturas deformáveis ​​permitem que um robô macio se adapte melhor a certas circunstâncias ou tarefas dinâmicas, incluindo em um ambiente incerto (por exemplo, deslocamento em um fluido com alta turbulência, locomoção em terreno irregular e desconhecido, ação de agarrar objeto de forma, peso e fragilidade desconhecida ou quando em contacto com um ser vivo ou com um órgão (no caso de um robô cirúrgico ou industrial);

o rápido progresso da injeção de elastômero, então da impressão 3D de certos elastômeros possibilita moldar (e hoje imprimir) misturas poliméricas elásticas, de diferente elasticidade, abrindo novas possibilidades; Parece possível em um futuro próximo associar polímeros sintéticos a biopolímeros, ou a células vivas;

Alguns materiais macios e elásticos têm um interesse energético: por exemplo, materiais de mudança de fase, estruturas deformáveis ​​(por exemplo, molas) ou memória de forma ou integração de um gás comprimido também podem teoricamente armazenar e liberar uma certa quantidade de energia. Essa energia pode ser usada para os movimentos e mudanças de forma do robô e / ou ser mobilizada para outras tarefas;

Depois de rasgados, perfurados ou levemente danificados, certos elastômeros formados por redes covalentes termorreversíveis (os chamados “Polímeros Diels-Alder” ou “Polímeros Diels-Alder” para falantes de inglês) podem (simplesmente ser ligeiramente aquecidos e depois resfriados) remontar;Envelopes robustos ou órgãos capazes de autocura tornam-se possíveis; Testes publicados em 2017 pela Science Robotics mostram que os materiais podem se reparar após os cortes, e recuam, apesar de algumas cicatrizes terem quase total performance mesmo depois de dois ciclos de reparo / cura. Isto foi testado com sucesso para três atuadores pneumáticos de robótica flexível (fórceps flexíveis, mão e músculos artificiais) autorrecuperáveis ​​após lesões por perfuração, rasgos ou golpes no polímero em questão;

A robótica macia é frequentemente muito menos dispendiosa do que as partes duras dos robôs “clássicos”.

Fabricação
Técnicas de fabricação convencionais, como técnicas subtrativas como perfuração e fresamento, são inúteis quando se trata de construir robôs macios, pois esses robôs têm formas complexas com corpos deformáveis. Portanto, técnicas de fabricação mais avançadas foram desenvolvidas. Esses incluem o SDM (Shape Deposition Manufacturing), o processo SCM (Smart Composite Microstructure) e a impressão multimaterial 3D.

O SDM é um tipo de prototipagem rápida em que a deposição e a usinagem ocorrem ciclicamente.Essencialmente, um deposita um material, maquina-o, incorpora uma estrutura desejada, deposita um suporte para a dita estrutura e depois maquina ainda o produto até uma forma final que inclui o material depositado e a parte embutida. O hardware incorporado inclui circuitos, sensores e atuadores, e os cientistas incorporaram com sucesso os controles dentro de materiais poliméricos para criar robôs flexíveis, como o Stickybot e o iSprawl.

O SCM é um processo pelo qual se combina corpos rígidos de polímero reforçado com fibra de carbono (CFRP) com ligantes poliméricos flexíveis. O polímero flexível atua como articulações para o esqueleto. Com este processo, uma estrutura integrada do CFRP e ligamentos poliméricos é criada através do uso de usinagem a laser seguida de laminação. Esse processo de SCM é utilizado na produção de robôs de mesoescala, pois os conectores de polímero servem como alternativas de baixo atrito para as juntas de pinos.

Agora, a impressão 3D pode ser usada para imprimir uma ampla variedade de tintas de silicone usando o Robocasting, também conhecido como gravação direta de tinta (DIW). Esta rota de fabricação permite uma produção perfeita de atuadores de elastômero fluídico com propriedades mecânicas definidas localmente. Além disso, permite a fabricação digital de atuadores pneumáticos de silicone, exibindo arquiteturas e movimentos bioinspirados programáveis. Uma ampla gama de softrobots totalmente funcionais foi impressa usando este método, incluindo o movimento de dobrar, torcer, agarrar e contrair. Essa técnica evita algumas das desvantagens das rotas convencionais de fabricação, como a delaminação entre peças coladas. Outro método de fabricação aditiva que produz materiais de metamorfose de forma cuja forma é fotossensível, termicamente ativada ou sensível à água. Essencialmente, esses polímeros podem mudar de forma automaticamente quando interagem com água, luz ou calor. Um tal exemplo de um material de metamorfose de forma foi criado através do uso de impressão de jato de tinta reativa leve sobre um alvo de poliestireno. Além disso, os polímeros de memória de forma foram prototipados rapidamente e compreendem dois componentes diferentes: um esqueleto e um material de articulação. Após a impressão, o material é aquecido a uma temperatura superior à temperatura de transição vítrea do material da dobradiça.Isto permite a deformação do material da dobradiça, sem afetar o material do esqueleto. Além disso, este polímero pode ser continuamente reformado através de aquecimento.

Ao controle
Todos os robôs flexíveis requerem algum sistema para gerar forças de reação, para permitir que o robô se mova e interaja com seu ambiente. Devido à natureza complacente destes robôs, este sistema deve ser capaz de mover o robô sem o uso de materiais rígidos para atuar como os ossos nos organismos, ou a estrutura de metal em robôs rígidos. No entanto, existem várias soluções para este problema de engenharia e encontraram uso, cada uma possuindo vantagens e desvantagens.

Um desses sistemas usa atuadores elastoméricos dielétricos (DEAs), materiais que mudam de forma através da aplicação de um campo elétrico de alta tensão. Esses materiais podem produzir altas forças e ter alta potência específica (W / kg). No entanto, esses materiais são mais adequados para aplicações em robôs rígidos, pois se tornam ineficientes quando não atuam sobre um esqueleto rígido. Além disso, as altas voltagens necessárias podem se tornar um fator limitante nas potenciais aplicações práticas para esses robôs.

Outro sistema usa molas feitas de liga de memória de forma. Embora feita de metal, um material tradicionalmente rígido, as molas são feitas de fios muito finos e são tão complacentes quanto outros materiais macios. Essas molas têm uma relação força-massa muito alta, mas se estendem pela aplicação de calor, que é ineficiente em energia.

Músculos artificiais pneumáticos são outro método usado para controlar robôs macios. Ao alterar a pressão dentro de um tubo flexível, ele atuará como um músculo, contraindo-se e estendendo-se, aplicando força ao que está preso. Através do uso de válvulas, o robô pode manter uma determinada forma usando esses músculos sem a necessidade de energia adicional. No entanto, este método geralmente requer uma fonte externa de ar comprimido para funcionar.

História
Dos relógios, dos autómatos e dos brinquedos mecânicos utilizam-se durante várias décadas várias formas de molas e por vezes couro, tecido formando conexões flexíveis, ou ar elástico ou comprimido em um balão como reservatório de energia. Mas os polímeros necessários para criar robôs reais, resistentes e duráveis ​​só estão disponíveis há algumas décadas.

Por cerca de meio século, os robôs industriais têm sido rígidos e bastante adaptados a tarefas rápidas e repetitivas. Materiais mais ou menos flexíveis ou macios foram usados ​​às vezes em sua construção, mas eram freqüentemente de importância secundária; eles eram reservados para mover cabos, linhas de fluido, jaquetas de junção, sistemas de vácuo (para agarrar objetos frágeis, por exemplo) ou amortecimento de impacto, etc. A ficção científica em quadrinhos, romances e filmes tem popularizado robôs com armaduras metálicas (ou às vezes muito humanóide, inclusive com uma pele sintética).

De 2009 a 2012, o surgimento de silicones técnicos, vários outros polímeros moldáveis, materiais com memória de forma possibilitaram a exploração de novas avenidas. O uso de polímeros eletroativos e a perspectiva de ser capaz de produzir sistemas musculares artificiais (incluindo aqueles baseados em hidrogel eletroativo), juntamente com a melhoria regular do desempenho de impressoras 3D poderiam, em particular em conexão com o desenvolvimento da biomimética, impulsionar o desenvolvimento de uma robótica macia que permite novas habilidades, como compressão, alongamento, torção, inchação, metamorfose, etc., de maneiras que seriam impossíveis com elementos rígidos da robótica clássica.

Em 2013, em uma conferência internacional dedicada à inteligência artificial e em um artigo resumindo seu ponto de vista, Rolf Pfeifer e seus colegas da Universidade de Zurique apresentam robôs macios e biomimética como a próxima geração de “máquinas inteligentes”.

Descobertas recentes e demonstrações também se concentraram (e por exemplo) em:

“robótica de gás” (que se concentra em robôs mais leves que o ar)
o interesse de apêndices suaves e preênseis, como o chifre de elefante ou tentáculos, possivelmente miniaturizados; Nesse caso, os hidrostatos musculares, quase sempre feitos quase inteiramente de tecido muscular e conjuntivo, podem mudar de forma se forem pressurizados por osmose, assim como em certos órgãos vegetais ou fúngicos.
um fio automático e altamente elástico (imitando o princípio das gotas que cobrem as teias de aranha)
o uso de materiais simples como grãos de areia que podem ser “moldados” pelo princípio de “transição de interferência” para dar o equivalente a uma pinça robótica, primeiro macia e envolvente, que pode então ser endurecida à vontade
Materiais com memória de forma
compósitos de metal polimérico iônico
Elastômeros dielétricos (ou DEs para elastômeros dielétricos.
o uso de impressão 3D, por exemplo, para produzir um robô de corpo mole sem bateria ou bateria, onde um pequeno reservatório de peróxido de hidrogênio serve como fonte de gás (que pode ser ativado colocando o peróxido em contato com um catalisador (platina) de inflar uma rede de câmaras pneumáticas impressas em 3D (por exemplo, Octobot apresentado em 2016).
Os previsores esperam robôs capazes de se auto-repararem, crescerem, reciclarem ou biodegradarem, e possam configurar sua morfologia para diferentes tarefas e / ou ambientes.
Micro-robôs macios (possivelmente microscópicos) também são esperados por alguns (como uma conseqüência lógica do cruzamento da robótica suave e da miniaturização), mas outros como (Jay) Kim se perguntam por quê; Existem razões convincentes ou motivadoras para inventá-las?

Usos e aplicativos
Robôs macios podem ser implementados na profissão médica, especificamente para cirurgia invasiva. Robôs macios podem ser feitos para auxiliar cirurgias devido às suas propriedades de mudança de forma. A mudança de forma é importante, pois um robô macio pode navegar em diferentes estruturas do corpo humano ajustando sua forma. Isto pode ser conseguido através do uso de atuação fluídica.

Robôs macios também podem ser usados ​​para a criação de exosuits flexíveis, para reabilitação de pacientes, assistência aos idosos ou simplesmente para aumentar a força do usuário. Uma equipe de Harvard criou um exosuit usando esses materiais para dar as vantagens da resistência adicional fornecida por um exosuit, sem as desvantagens de como os materiais rígidos restringem o movimento natural de uma pessoa.

Tradicionalmente, robôs de fabricação foram isolados de trabalhadores humanos devido a preocupações de segurança, pois um robô rígido colidindo com um ser humano poderia facilmente causar ferimentos devido ao rápido movimento do robô. No entanto, os robôs macios poderiam trabalhar em conjunto com os humanos com segurança, pois, em uma colisão, a natureza complacente do robô impediria ou minimizaria qualquer possível dano.

Revistas internacionais
Soft Robótica (SoRo)
Seção de Robótica Macia de Fronteiras em Robótica e IA
Eventos internacionais
2018 Robosoft, primeira Conferência Internacional IEEE sobre Soft Robotics, 24-28 de abril de 2018, Livorno, Itália
2017 IROS 2017 Workshop sobre Design Morfológico Suave para Sensação Haptic, Interação e Exibição, 24 de setembro de 2017, Vancouver, BC, Canadá
2016 First Soft Robotics Challenge, de 29 a 30 de abril, em Livorno, Itália
Semana da Soft Robotics 2016, de 25 a 30 de abril, em Livorno, Itália
2015 “Soft Robotics: Atuação, Integração e Aplicações – Combinando perspectivas de pesquisa para um salto na tecnologia de robótica leve” na ICRA2015, Seattle WA
Workshop de 2014 sobre avanços em soft robotics, 2014 Conferência de robótica Science and Systems (RSS), Berkeley, CA, 13 de julho de 2014
Workshop Internacional de 2013 sobre Soft Robotics e Computação Morfológica, Monte Verità, 14 a 19 de julho de 2013
2012 Summer School em Soft Robotics, Zurique, 18 a 22 de junho de 2012

Na cultura popular
O filme de 2014 da Disney, Big Hero 6, girava em torno de um robô macio, o Baymax, originalmente projetado para uso no setor de saúde. No filme, Baymax é retratado como um robô grande, mas não intimidante, com um exterior de vinil inflado ao redor de um esqueleto mecânico. A base do conceito Baymax vem da pesquisa da vida real sobre aplicações da robótica leve no campo da saúde, como o trabalho do roboticista Chris Atkeson no Instituto de Robótica da Carnegie Mellon.

Comunidade científica
Alguns elementos de robôs “clássicos” (industriais, militares, etc.) têm sido feitos de materiais macios e às vezes elásticos, mas a idéia de robôs quase inteiramente “macios” é recente. Associa-se à robótica clássica, novos tipos de modelagem e disciplinas que eram apenas ligeiramente (química de polímeros em particular). Os princípios de design e construção devem ser revisados.

No início de 2010, uma comunidade científica e técnica internacional se reuniu em torno da ideia de explorar as trilhas abertas pela robótica soft, com:

desde outubro de 2012, um comitê técnico do IEEE RAS dedicado à robótica leve (Comitê Técnico IEEE RAS de Soft Robotics) cuja missão é coordenar a comunidade de pesquisa;
desde 2014, um jornal dedicado ao robótico deformável é publicado a cada três meses.
na França, uma equipe de pesquisa do INRIA tornou sua especialidade.

Inovação
Um dos desafios a serem enfrentados (incluindo o reparo de robôs flexíveis) é ter uma cola flexível e elástica à prova d’água. Isso parece estar prestes a acontecer: em meados de 2017, físicos acadêmicos conseguiram produzir no laboratório uma cola de cianoacrilato altamente elástica que pode colar substâncias duras e / ou moles (incluindo componentes eletrônicos) a hidrogéis (materiais como “Géis” usados ​​em certos dispositivos médicos e robôs flexíveis). Isso abre o caminho para a criação de baterias e circuitos elétricos verdadeiramente elásticos e elásticos. O cianoacrilato está associado a um componente orgânico (que, sem ser solvente, difunde-se rapidamente no fundido para evitar que se torne quebradiço). No momento de pressionar a configuração do adesivo leva alguns segundos 29. A elasticidade pode chegar a 2000%.

Em 2017, os pesquisadores conseguiram desenvolver o primeiro robô macio capaz de se mover sem um motor ou sistema mecânico, uma inovação que, usando ligas de memória, abre o caminho para muitas possibilidades em pesquisa aeroespacial e nanoscópica.