Fremtidens bløde robotter kan være afhængige af nye materialer, der leder elektricitet, sanseskade og selvhelbredelse

Robotter plejede at være begrænset til tunge løft eller fin detaljearbejde på fabrikker. Nu Boston Dynamics' kvikke firbenede robot, Få øje på, er tilgængelig for virksomheder at lease til at udføre forskellige opgaver i den virkelige verden, et tegn på, hvor almindelige interaktioner mellem mennesker og maskiner er blevet i de senere år.

Og selvom Spot er alsidig og robust, det er, hvad samfundet opfatter som en traditionel robot, en blanding af metal og hård plast. Mange forskere er overbevist om, at bløde robotter, der er i stand til sikker fysisk interaktion med mennesker - f.eks. yde hjælp i hjemmet ved at gribe og flytte genstande – vil slutte sig til hårde robotter for at befolke fremtiden.

Blød robotteknologi og bærbare computere, både teknologier, der er sikre for menneskelig interaktion, vil efterspørge nye typer materialer, der er bløde og strækbare og udfører en lang række funktioner. Mine kolleger og jeg på Soft Machines Lab på Carnegie Mellon University udvikler disse multifunktionelle materialer. Sammen med samarbejdspartnere, vi har for nylig udviklet et sådant materiale, der unikt kombinerer egenskaberne af metaller, bløde gummier og formhukommelsesmaterialer.

Disse bløde multifunktionelle materialer, som vi kalder dem, lede elektricitet, opdage skader og helbrede sig selv. De kan også føle berøring og ændre deres form og stivhed som reaktion på elektrisk stimulation, som en kunstig muskel. På mange måder, det er, hvad de banebrydende forskere Kaushik Bhattacharya og Richard James beskrev:"materialet er maskinen."

At gøre materialer intelligente

Denne idé om, at materialet er maskinen, kan fanges i begrebet legemliggjort intelligens. Dette udtryk bruges normalt til at beskrive et system af materialer, der er indbyrdes forbundne, som sener i knæet. Når du løber, sener kan strække sig og slappe af for at tilpasse sig hver gang foden rammer jorden, uden behov for nogen neural kontrol.

Det er også muligt at tænke på legemliggjort intelligens i et enkelt materiale – et der kan fornemme, behandle og reagere på sit miljø uden indlejrede elektroniske enheder som sensorer og behandlingsenheder.

Et simpelt eksempel er gummi. På molekylært niveau, gummi indeholder strenge af molekyler, der er viklet sammen og forbundet. At strække eller komprimere gummi flytter og ruller strengene ud, men deres led tvinger gummiet til at hoppe tilbage til sin oprindelige position uden at blive permanent deformeret. Muligheden for gummi til at "kende" sin oprindelige form er indeholdt i materialestrukturen.

Da fremtidens konstruerede materialer, der er egnede til menneske-maskine-interaktion, vil kræve multifunktionalitet, forskere har forsøgt at bygge nye niveauer af legemliggjort intelligens - ud over blot at strække - ind i materialer som gummi. For nylig, mine kolleger skabte selvhelbredende kredsløb indlejret i gummi.

De startede med at sprede flydende metaldråber i mikroskala pakket ind i en elektrisk isolerende "hud" gennem silikonegummi. I sin oprindelige tilstand, hudens tynde metaloxidlag forhindrer metaldråberne i at lede elektricitet.

Imidlertid, hvis det metalindlejrede gummi udsættes for tilstrækkelig kraft, dråberne vil briste og samles for at danne elektrisk ledende baner. Alle elektriske linjer trykt i det gummi bliver selvhelbredende. I en separat undersøgelse, de viste, at mekanismen til selvhelbredelse også kunne bruges til at opdage skader. Nye elektriske ledninger dannes i de områder, der er beskadiget. Hvis der kommer et elektrisk signal igennem, det indikerer skaden.

Kombinationen af ​​flydende metal og gummi gav materialet en ny vej til at fornemme og behandle dets miljø – dvs. en ny form for legemliggjort intelligens. Omarrangeringen af ​​det flydende metal gør det muligt for materialet at "vide", når der er sket skade på grund af en elektrisk reaktion.

Formhukommelse er et andet eksempel på legemliggjort intelligens i materialer. Det betyder, at materialer reversibelt kan ændres til en foreskrevet form. Formhukommelsesmaterialer er gode kandidater til lineær bevægelse i blød robotteknologi, i stand til at bevæge sig frem og tilbage som din biceps-muskel. Men de tilbyder også unikke og komplekse formændrende muligheder.

For eksempel, to grupper af materialeforskere demonstrerede for nylig, hvordan en klasse af materialer reversibelt kunne forvandle sig fra en flad gummilignende plade til et 3-D topografisk kort over et ansigt. Det er en bedrift, der ville være svær med traditionelle motorer og gear, men det er enkelt for denne klasse af materialer på grund af materialets indbyggede intelligens. Forskerne brugte en klasse af materialer kendt som flydende krystal elastomerer, som nogle gange beskrives som kunstige muskler, fordi de kan strække sig og trække sig sammen ved påføring af en stimulus som varme, lys, eller elektricitet.

Samler det hele

Ved at hente inspiration fra den flydende metalkomposit og det formformende materiale, mine kolleger og jeg har for nylig skabt en blød komposit med hidtil uset multifunktionalitet.

Den er blød og strækbar, og den kan lede varme og elektricitet. Det kan aktivt ændre sin form, i modsætning til almindelig gummi. Da vores komposit let leder elektricitet, form-morphing kan aktiveres elektrisk. Da det er blødt og deformerbart, den er også modstandsdygtig over for betydelige skader. Fordi det kan lede elektricitet, kompositten kan interface med traditionel elektronik og reagere dynamisk på berøring.

Desuden, vores komposit kan hele sig selv og opdage skader på en helt ny måde. Skader skaber nye elektrisk ledende linjer, der aktiverer form-morphing i materialet. Kompositten reagerer ved spontant at trække sig sammen, når den punkteres.

I filmen "Terminator 2:Judgment Day, " den formskiftende Android T-1000 kan flydende; kan ændre form, farve, og tekstur; er immun over for mekanisk skade; og viser overmenneskelig styrke. En sådan kompleks robot kræver komplekse multifunktionelle materialer. Nu, materialer, der kan fornemme, behandle og reagere på deres miljø, som om disse form-morphing-kompositter begynder at blive en realitet.

Men i modsætning til T-1000 er disse nye materialer ikke en kraft for det onde – de baner vejen for bløde hjælpemidler som proteser, ledsagende robotter, fjernudforskningsteknologier, antenner, der kan ændre form og mange flere applikationer, som ingeniører ikke engang har drømt om endnu.

Denne artikel er genudgivet fra The Conversation under en Creative Commons-licens. Læs den originale artikel.