Pehmerobootika

Pehmerobootika on uus robootikavaldkond, mille eesmärk on tavapäraste kõva kerega robotite asemel teha roboteid pehmest ja painduvast materjalist, mis lubab suuremat liikumisvabadust. Pehmerobootika on üldjoontes samas valdkonnas bioloogiast inspireeritud robootikaga, mille eesmärk on jäljendada looduses tegutsevaid organisme.
Et klassifitseeruda pehmerobotiks, peab masin olema loodud peamiselt pehmest materjalist või peab see koosnema paljudest tavalises kõvas robootikas kasutatud aktuaatoritest, mis töötavad koos, nii et kogu süsteem omab pehmerobootika omadusi.
Pehmerobootika aluseks on tehislihased, mis imiteerivad tuntud organismide liikumist. Seni ei ole välja töötatud veel ühtegi tehnoloogiat, mis täiuslikult jäljendaks päris lihast. Enim kasutatud ioonsest elektroaktiivsest polümeerist tehislihased suudavad kokku tõmbuda ja laieneda. Nende kokkutõmbeid ja laienemisi mõjutavad neid ümbritseva ioonse vedeliku happelisus ja soolsus. Küll aga on makroskoopilisel tasemel nende toime piiratud ja tavaliselt üsna aeglane. Peale ioonsete elektroaktiivsete polümeeride (EAP) on EAP-de hulgas veel dielektrilised elastomeerid, elektrolüütiliselt aktiivsed polümeerid, polüelektrolüütilised geelid ja geel-metall-komposiidid.
Selline lähenemine robotitele võimaldab luua täiesti uut tüüpi masinaid, mis kohanduvad senisest paremini väliskeskkonna muutustega, ning samas on võimalik luua ka elusorganismidega palju sarnasemaid masinaid.
Pehmerobootika maailmas.
Harvardi ülikoolis on populaarsust kogunud meritähte jäljendav robot, mis saab aeglaselt roomata ja isegi värvi vahetada. Souli Rahvuslikus Ülikoolis töötatakse välja robotit, mis koosneb kahest pehmest rattast ja väiksest elektriskeemist. Rattad suudavad tänu pehmele materjalile enda kuju muuta ning seega peenikestest avadest sisse sõita.
MIT (Massachusettsi Tehnoloogiainstituut), Harvardi Ülikooli ja Souli Riikliku Ülikooli koostöös on valminud Meshworm, autonoomne vihmaussist inspiratsiooni saanud robot. Robot on tehtud nikli ja titaani sulamist, mis on kuju säilitav sulam. Sellest sulamist on kootud peenike võrk, mis on omakorda traadiga sektsioonideks jaotatud. Igale sektsioonile saab eraldi saata nõrga elektrivoolu, mille tulemusena soojus kasvab, sulam tõmbub kokku ning robot saab edasi liikuda. Sellise ülesehitusega pehmerobot on väga vastupidav, sest ta ongi sisuliselt seest tühi pehme ja kerge toru.
Pehmetest materjalidest saab näiteks ka luua tehisnahka, mis tunnetab soojust, ning puudutusi, mida saab digitaalselt mõõta. See on ehituse poolest paar õhukest kihti silikooni, mille vahel on väike elastne elektriskeem, mis kogu nahatüki sisuliselt sensoriks muudab. See tehnoloogia võimaldab luua väga tõhusaid sensoreid. Lisaks on teoreetiliselt võimalik seda kasutada ka meditsiinis näiteks proteeside valmistamisel. Luua saaks ka inimestega sarnasemaid roboteid, näiteks selliseid, keda katab sarnaselt inimestega pehme nahk, mille kaudu nad tunnevad puudutusi, soojust ja niiskust nagu päris inimesed.
Pehmerobootika Eestis.
TTÜ (Tallinna Tehnikaülikool) Biorobootika Keskuses, mis loodi 2008. aastal, uuritakse, kuidas täpselt kalad vee all liiguvad ja mida nad sealjuures tunnetavad. Selleks on ka loodud vee all ujuv robotkala, mis on enamasti pehmest materjalist, et võimalikult täpselt jäljendada kala liikumist. See on Eestis üks tuntumaid pehmerobootika projekte.
Samuti uuritakse Tartu Ülikooli arukate materjalide ja seadmete laboris tehislihaseid ja nende kasutust robootikas.
Pehmerobootikas kasutatavad tehislihased.
Tehislihased jagunevad kahte valdkonda: elektriväljaga mõjutatavad ning õhklihased. Õhklihased on üldiselt suuremad ja tülikamad kasutada, sest nõuavad suuri pumpasid, et neid suruõhuga varustada, aga see-eest on nad tehnoloogiliselt lihtsamad. Elektriväljaga mõjutatavad lihased baseeruvad suurel osal keemial ja materjaliteadusel. Seni ei ole veel suudetud teha eriti tõhusaid lihaseid, mis reageeriksid piisavalt kiiresti ja tugevalt elektrilisele mõjutusele.
Elektroaktiivsed polümeerid.
Elektroaktiivsetel polümeeridel ehk EAP-del baseeruvad tehislihased on elektriväljaga mõjutatavad tehislihased, mis tähendab, et nad muudavad oma kuju või suurust elektriväljas. Näiteks võib EAP vastavalt sellele, kummas suunas temast elektrivool läbi lastakse, kas kokku tõmbuda või laieneda. Õhklihastega võrreldes on EAP eeliseks suurem paindlikkus ning kergem kaal. Samuti ei nõua nende kasutamine suuri pumpasid.
Õhklihased.
Pneumaatikal põhinevad McKibbeni tüüpi aktuaatorid on praeguseks kõige arenenum tehislihase tüüp. Neid on arendatud üle viiekümne aasta. Nad koosnevad tugevatest ja mittevenivatest kiududest kootud kestast, mille sees on põis, mida saab õhuga täita ning sellest sõltuvalt ta kas laieneb või tõmbub kokku. Neil tehislihastel on päris lihasega sarnane vastupidavus ning nad on ka kiire toimega, aga nad töötavad ainult põiesisese rõhu muutusel. Neid on võimalik kasutada keerulisemate liigutuste jaoks, näiteks Indias Amrita ülikoolis on loodud neljal jalal kõndiv pehme robot. Sellised robotid on ka võimelised igasugu kujuga esemeid haarama ja liigutama. Suruõhuga töötavaid lihaseid on aga väga raske kasutada väikeste robotite ehitamiseks, sest suruõhukasutamiseks on vaja kuskile paigutada suured pumbad ning neid ka elektriga varustada.
"Jamming".
"Jamming" on tehnoloogia, kus kasutatakse tehislihast, mis on nagu rakk, mida ümbritseb rakumembraan, kusjuures see membraan võib ka koosneda mitmest sektsioonist. Sektsioonideks jaotamise mõte on selles, et iga membraani sektsiooni saab muuta kas jäigemaks või venivamaks ning seeläbi kontrollida raku kujumuutust, kui raku sisemuse rõhku suurendatakse. Samal põhimõttel töötab ka vägagi funktsionaalne haaramismehhanism, mille tuumaks on lihas, mis koosneb väikestest osakestest, mille vahelt saab gaasi või vedeliku välja imeda ning seejärel lihas kokku tõmbub ning mugandub enda külge puutuva eseme kujuga ning haarab sellest. Kui täita näiteks õhupall kohvipuruga, see pall mingisuguse eseme vastu suruda ja õhupallist õhk välja imeda, tõmbub kohvipuru tihkelt kokku ning õhupall säilitab selle kuju, mis tal õhu väljaimemise ajal oli, ning haaratav ese jääb sinna külge kinni. Pehmerobootika lähenemine on tõhusam kui siiani kasutatud robootilised haaramismehhanismid, mis enamasti baseeruvad sõrmedega käel, mis inimkätt jäljendab, aga selle meetodiga kaasneb palju negatiivseid külgi, nagu näiteks vajadus haaramistugevuse jõudu mõõta, et mitte haaratavat objekti kahjustada, ning samas nõuab selline käsi ka mitut liigest ja mootorit, mis ajab masina väga keeruliseks.
Tänu heale haaramisvõimele ning paindlikkusele saab luua roboti, mis suudab igasugu pinnal hästi liikuda. Näiteks "Jamming Modulated Unimorph Hexapod" ehk JHEX. See kuuejalgne robot ehitati iRoboti korporatsiooni, Cornelli Ülikooli ja Chicago Ülikooli koostööna. See robot suudab kogu oma keha vastavalt vajadusele muuta kas pehmeks või kõvaks ning sedasi jalgu liigutada. Projekti eesmärk on sedasi luua robot, mis on võimeline pisikestest avaustest, mis tema kehast isegi väiksemad on, läbi ronima ja siis teisel pool jälle kuju taastades edasi liikuma.
Biorobootika.
Looduslikest organismidest inspireeritud robotid nõuavad samuti mitmete ülesannete jaoks pehmet keha, nii nagu nende jäljendataval loomal endal. Üks sellistest ülesannetest on näiteks ronimine, mis on väga keeruliselt teostatav, sest iga eksimus võib kukkumisega lõppeda. Geckobot nime kandev robot imiteerib sisaliku ronimisoskust, kasutades Van der Waalsi jõudu, mis lubab siledal pinnal haakuda.
Spinybot on putukalaadne robot, mis kasutab haakumiseks väikseid okkaid.
Lisaks sellele on loodud ka putukalaadseid mikroroboteid, mis haakuvad pinnale teatud liimja ainega.
Küll aga on sellised jalgadega ronimisrobotid veel kohmakad, ei suuda sama disainiga ronida nii sileda kui ka kareda pinna peal ning neil on ka probleeme horisontaalse ja vertikaalse liikumissuuna vahetamisega.
Kõige kiiremate jalgadega loomi imiteerivate robotite hulka kuuluvad näiteks RHex ehk "Reliable Hexapedal robot" ja Boston Dynamicsi Cheetah. Need robotid ei klassifitseeru küll pehmerobootika alla.
Selgrootute loomade roomavat liikumist on lihtsam jäljendada, kuigi sellise liikumisviisiga ei saa väga edukalt vertikaalselt liikuda. Pehmerobootika vallas on siiani kõige edukamalt suudetud jäljendada just selgrootuid.