М’яка робототехніка у розробці анатомічно правильної ляльки-компаньйона

Підписуйтеся на Telegram-канал «DOU #tech», щоб не пропустити нові технічні статті

Про проєкт

Цей проєкт спрямований на створення сучасної анатомічно правильної силіконової секс-ляльки робота, собівартістю до 1000 доларів. Я публікую періодичні звіти, щоб систематизувати свої думки та ділитися прогресом.

У цьому звіті я хочу поділитися та підсумувати ключові аспекти м’якої робототехніки які дізнався за цей час. Чому DOU? Тому що я читаю DOU більше 10 років і тут мені комфортно. Ви, як правило, адекватні, технічно підковані та фінансово забезпечені люди.

У попередніх звітах я вже ділився про проблемами пов’язані з анатомією в 3D-моделях та своїми дослідженнями медичних силіконів:

• Проблеми анатомічно правильних 3D-моделей для виготовлення ляльок
• Дослідження медичних силіконів

Я також створив YouTube канал LustLab UA, де викладатиму відео матеріали проєкту. Там немає поки відео, канал не буде активно вестися, а використовуватиметься лише для демонстрації прогресу та результатів і там я буду публікувати відео для майбутніх статей.

У цій статті я коротко розповім, що дізнався про м’яку робототехніку за цей час.

Поточний статус розробки

Проєкт наразі знаходиться на етапі кінематики. Я працюю над розробкою м’язів і системи керування, зокрема, вивчаю кінематику людської руки для створення прототипу для тестування різних механізмів. Хоча розробка м’язів вже наближається до завершення, ще попереду багато роботи над системою керування та сенсорною системою.

У майбутньому можливою метою є створення нейромережі, яка дозволить андроїду виконувати складні завдання, такі як подача кави. Проте, враховуючи наявні ресурси, наразі я зосереджуюсь на відтворенні основних сценаріїв рухів для досягнення реалістичності.

Ключові аспекти м’якої робототехніки

Особливістю м’якої робототехніки є адаптивність зусилля при контакті з об’єктами. Це означає, що м’які роботи можуть пристосовувати силу та зону контакту при взаємодії з різними предметами, зменшуючи ризик пошкодження як для об’єкта, так і для самого робота.

*джерело фото «A 3D Printed Modular Soft Gripper Integrated With Metamaterials for Conformal Grasping»

Природній м’яз як ідеальний м’який актуатор

Актуатор — це механізм, що перетворює енергію (електричну, пневматичну, гідравлічну) в механічний лінійний рух. Тобто рух вперед або назад.

Природній м’яз — це ідеальний м’який актуатор з точки зору робототехніки. Він сильний, довговічний та швидко реагує на команди мозку. Наразі жоден із м’яких штучних актуаторів не зміг досягти універсальності людських м’язів. Хоча по деяким характеристикам, особливо у силі, інженери змогли перевершити людські м’язи, це зазвичай виконано за рахунок погіршення інших властивостей.

Порівняння природного м’яза та популярних рішень м’якої робототехніки

*Дані узагальнені. Для окремих видів ситуація може бути іншою.

Пневматичні актуатори

Актуатори на тиску зазвичай виглядають як герметична камера із м’якого матеріалу. Є декілька способів, як перетворити тиск у камері на лінійний рух. Один із класичних прикладів — це штучні м’язи McKibben, придумані ще у 1958 році.

Загальний принцип виглядає так: герметична камера у вигляді трубки. Початок і кінець трубки з’єднані мотузками. Мотузки по довжині такі самі, як і трубка.

При накачуванні тиску у трубку — вона буде роздуватись, але мотузки не дають їй розтягнутись по довжині, змушуючи збільшуватись тільки по товщині.

Щоб мотузки не перекошувало, зараз роблять не окремі мотузки, а сітку. А так як сітці можна надати ще й незвичну форму, то можна в деяких межах ще контролювати і візуальний вигляд «м’яза». У сучасносних McKibben зазвичай сітку ховають в матеріалі самої трубки і замість одного великого м’яза використовують пакети із маленьких м’язів. Ось так це виглядає:

*джерело фото: Suzumori Endo Robotics Laboratory

McKibben працюють виключно на скорочення. Вони дуже сильні і тому їх часто використовують для екзоскелетів. Сучасні McKibben також мабуть найбільш візуально схожі на людський м’яз.

В інтернетах пишуть що головний мінус таких м’язів це те що вони потребують пневматичної системи, тобто клапани і компресор або його аналог, це все ламається, це все дорого, це шумить, треба мастило і обслуговування, але це все дрібниці. Ось певні моменти:

• Щоб почати рух, спочатку треба накачати певний тиск, бо газ стискається.
• Під час роботи м’яза змінюється його форма, через то стискання м’яза не пропорційне тиску газа.
• Пневматичні клапани працюють не особливо швидко і не особливо точно.

Все це дає велику затримку між командою до реального руху.

Наскільки велика затримка від команди до руху?

Думаю якщо ви цікавились робототехнікою, то бачили цю руку. Це рука від компанії Clone Robotics. Затримка — скажена, лінк. Усі пневматичні м’язи що я бачив, мають цю проблему. Досягнути плавності і природності руху із такою затримкою неможливо.

Пневматичні мережі(PneuNets)

Перш за все це пневматична технологія, але її принцип можна застосувати і з гідравлікою. Полягає у тому, щоб всередині герметичної камери створити маленькі еластичні відсіки, які при нагнітанні газу будуть роздуваються, штовхати один одного і таким чином згинати або розтягувати вперед наш м’яз.

Комбінуючи камери різним чином, можна придумати багато збочень

Раніше зробити пневматичні мережі було досить складно, але з розповсюдженням 3D-друку, сьогодні, це може зробити будь-хто, у кого є 3D-принтер. Мінуси у пневматичних мереж всі ті ж самі що і у McKibben — повільний відгук на керуючий сигнал.

Тепер ви знаєте як зробити недосвідчену тентаклю.

Pouch Motor

Що буде, якщо ми зробимо пласку герметичну камеру, з не еластичного матеріалу та закачаємо туди рідину під тиском? Ми отримаємо Pouch Motor.

Зазвичай такі камери збирають у один довгий актуатор. А самі камери між собою об’єднують каналами для перетоку рідини, щоб заживи їх від одного насосу.

*Джерело фото «Pouch Motors: Printable/inflatable soft actuators for robotics»

Рідина практично не стискається у порівнянні з газом і це дає плюси

• дуже компактні
• кращий контроль
• більш компактна система забезпечення тиску

Мінуси залишаються такими ж, як і у пневматики, але з іншими причинами. Досягнення необхідного тиску в гідравлічних системах складніше, ніж у пневматичних. Хоча тиск у гідравліці нижчий, рідина рухається повільніше в порівнянні з газом. Проте є і плюси: рідини потрібно значно менше, клапани дешевші, контроль кращий. Загалом, це чудова технологія для своїх завдань.

Orіgami структури та подібні рішення

Технологія полягає в тому, щоб розмістити всередині камери тверді структури, які обмежують форми, які приймають штучні м’язи при зміні тиску.

*джерело фото «Origami-Inspired Artificial Muscles»

Сама технологія не є особливо популярною, оскільки для таких м’язів частіше використовують зменшення тиску, що є незручним. Проте цю технологію можна комбінувати з іншими підходами для досягнення кращих результатів.

Інші варіанти м’яких приводів на тиску

Їх є і доволі багато, але як на мене вони лише розвивають принципи які описані в попередніх розділах або показують їх у інших варіантах. Наприклад honeycomb

*Джерело ілюстрації «Pneumatic Soft Robots: Challenges and Benefits»

Це просто сучасний різновид пневматичної мережі. Принцип той самий і недолік той самий — швидкість відгуку.

На цьому про системі на основі тиску ми завершимо та перейдемо до електростатичних систем.

Гідростатичні електроактивні полімери

Гідростатичні електроактивні полімери представляють собою одну з найсучасніших технологій в галузі м’якої робототехніки. Щоб зрозуміти їх особливості та переваги, необхідно спочатку розглянути, що таке електроактивні полімери загалом та що дало впровадження гідростатики.

Електроактивні полімери (EAP) — це матеріали, які змінюють свою форму або розміри під впливом електричного поля.

*Джерело ілюстрації — невідома студенська робота

Дуже круті: швидкі, гнучкі, компактні, немає шуму, хороший відгук, прекрасне керування силою та швидкістю, можна детектувати зіткнення EAP з перешкодою. Не матеріал а чудо! проте:

Загальні недоліки EAP:

1. Велика напруга: EAP потребують тисячі вольт напруги для активації.
2. Неконтрольований рух: Ідеально однорідних матеріалів не існує, тому напрям стискання не ідеально рівний.
3. Обмежена механічна міцність: Стискається сам матеріал, тому EAP зазвичай складно посилити
4. Температурна чутливість: Продуктивність EAP може значно знижуватися при змінах температури, що обмежує їх використання у різних умовах.

А потім одній світлій голові прийшла хороша ідея — Гідростатичні електроактивні полімери.

Основна ідея полягає в тому, щоб заповнити простір між електродами не твердим матеріалом, а рідиною. Тобто створити рідкий EAP

*Джерело ілюстрації «Electroactive elastomeric actuators for biomedical and bioinspired systems»

Передаючи зусилля через рідину більше немає проблеми що сила самої EAP інколи йде не ідеально рівно. Рідина текуча, вона все одно все розподілить і передасть зусилля куди треба. І немає більше проблеми в міцності, бо це залежить вже не від матеріалу самої EAP а матеріалу камери з рідиною

З цього моменту можна розділити EAP на кілька підтипів з дуже різними властивостями. Я опишу два типа котрі мені здались цікаві:

Іонні полімерні металеві композити (IPMC)

Напруга до 3 вольт. Достатньо сильні. Створюються на основі матеріалу Nafion. Невеликий шматок цього матеріалу коштує кілька сотень доларів, а для іонізації рекомендується використовувати розчин іонів золота, платини чи срібла.

Цей тип EAP не дуже довговічний: близько 20 000 циклів деформації до помітного зниження продуктивності, що є прийнятним, оскільки вистачає на декілька років. Однак великі проблеми виникають з деградацією електродів та випаровуванням електроліту, що значно скорочує термін служби. До тогож матеріал потребує періодичногго обслуговування. Науковці наразі шукають способи покращення цих аспектів.

Проте матеріал сам по собі чудовий. Мені сподобалося, що за наявності бюджету IPMC можна виготовити навіть у домашніх умовах. Nafion використовується у виробництві акумуляторів і зазвичай продається невеликими шматками. Але такий матеріал виходить за рамки нашого бюджету. Це перспективний матеріал для медичних зондів, оскільки товщина IPMC становить частки міліметра. Я довго розглядав його для створення м’язів язика, оскільки хочу зробити повноцінно рухливий язик, але через високу ціну матеріалу і його недовговічність, я все ще в пошуку. Можливо, знайду рішення згодом, час для язика за роадмапом ще не настав.

EAP на базі діелектрика з технологією самовідновленя (EAP-H)

Цей матеріал є дешевим і довговічним, що робить його привабливим для використання. Робоча напруга становить в середньому 4 000 вольт. При роботі з високою напругою він є низькострумним. Проте навіть низький струм може бути небезпечним. Важливо дотримуватися всіх заходів безпеки. Розглянемо аспект електробезпеки детальніше:

Небезпека в залежності від струму:

• 0,9-1,2 мА — Ледве відчутний вплив
• 1,2-1,6 мА — Мурашки і лоскотання по шкірі
• 1,6-2,8 мА — Напруга в зап’ясті
• 2,8-4,5 мА — Погіршення рухливості передпліччя
• 4,5-5,0 мА — Судоми м’язів передпліччя
• 5,0-7,0 мА — Судоми м’язів плеча
• 15-20 мА — Рука не відривається від джерела струму
• 20-40 мА — Хворобливі судоми м’язів всього тіла
• 50-100 мА — Зупинка серцевої діяльності
• Більше 200 мА — Глибокі опіки

*узагальнено бо дані відрізняються у різних стандартах, та для різних видів струму, та різного шляху протікання струму

У порівняння з фізичними речами

Що роблять вольти?

Напруга (вольти) необхідна для того, щоб струм (ампери) міг подолати опір. Напруга — це сила, яка штовхає енергію від джерела, а струм — це кількість енергії, яку ця напруга штовхає. Наприклад, для того, щоб енергія могла пройти через 1 см повітря, потрібно близько 30 000 В, тому наближатися до проводів ліній електропередач (ЛЕП) небезпечно, адже струм може пройти через повітря при достатньому наближенні. В загальному випадку вважається що при напрузі більше 50 вольт для сухої шкіри і при напрузі в 25 вольт для мокрої, струм долає опір шкіри.

Напруга також може збільшити кількість ампер, які дійдуть до вас від джерела, долаючи опір, але максимальна кількість ампер не може бути більшою ніж максимальна кількість ампер що вийшла з джерела, бо струм не може взятись ні звідки. Тобто, навіть якщо в лінії буде 1 мільйон вольт, але струм обмежений в 1 мА, здорова людина відчує лише поколювання.

В реальності таке співвідношення дуже малоймовірне, тому скоріш за все 1 мільйон вольт буде небезпечним і сподіватись що там низький струм, якщо ви точно того не знаєте — не варто.

Приклади коли велика напруга безпечна через низький струм — музичний генератор Тесла.

Подібні пристрої здатні генерувати дуже високі напруги, часто понад 100 000 вольт і створювати видовищні електричні розряди в повітрі. Проте, струм, що протікає через ці розряди, є імпульсним або дуже малим, зазвичай в межах декількох міліамперів (мА).

Отже, навіть з такою високою напругою, небезпека полягає не в кількості вольт, а в кількості струму, який протікає через тіло і скільки часу він так протікає. При застосуванні струмообмеження та інших заходів, для здорової людини це буде безпечно.

Термочутливі Актуатори

Термочутливі актуатори використовують температурні зміни для створення руху або зміни форми. Основним принципом їх роботи є теплове розширення або зміна фази матеріалу, з якого виготовлений актуатор. Під впливом температури матеріал змінює свій стан, що призводить до механічного руху або деформації.

Однією з популярних технологій термоактуаторів є використання сплавів з пам’яттю форми (SMA). Скоріш за все, ви чули про нітинол, який має здатність «запам’ятовувати» свою початкову форму і повертатися до неї при нагріванні. Прикладом такої технології є бутафорські кігті Росомахи з відомих коміксів, які використовують сплави з пам’яттю форми для температурного відновлення після пошкоджень.

Інші типи термочутливих актуаторів використовують матеріали які розширюються при нагріванні, наприклад, біметали. У біметалах два різні метали з різними коефіцієнтами теплового розширення з’єднані разом, що призводить до вигину при зміні температури. Це часто застосовується у термостатах. Можливо, у вас вдома є змішувач, який підтримує певну температуру, а не співвідношення гарячої і холодної води — це працює завдяки біметалам. За таким же принципом можна виготовити відносно м’які штучні м’язи із двух нейонових ниток різної довжини, закручених хитрим чином.

Температуру також використовують для зберігання енергії. Наприклад, для накопичення енергії сонця можна використовувати не тільки панелі, але й сонячні теплові електростанції. Вони застосовують розплавлену сіль як теплоносій. Сіль плавиться при високій температурі, утримуючи велику кількість теплової енергії. Це є прикладом фазового переходу, при якому сіль переходить з твердого стану в рідкий, міняючи свій об’єм і зберігаючи при цьому енергію. Цю енергію можна зберігати протягом тривалого часу і перетворювати на електроенергію за потреби, навіть коли сонце не світить або використати зміну об’єму для руху чогось.

Моя оцінка цієї технології така: хоча технології що базуються на температурі є корисними і мають широке застосування, вони не дуже підходять для нашого проєкту. Основна причина полягає в тому, що нагрівання таких актуаторів є відносно простим процесом, але охолодження викликає складнощі. Це може невиправдано ускладнити систему терморегуляції нашої ляльки без суттєвих переваг. Тому я не занурювався глибоко в їх дослідження для нашого проєкту.

То яку технологію планується використати в проєкті?

Ми познайомилися з трьома цікавими рішеннями:

1. Пневматичні мережі: Показали, прийоми розподілення тиску.
2. Pouch Motor: показав як вкоротити актуатор
3. Гідростатичні EAP: Показав нам технологію, де дві стінки герметичної камери з рідиною можна притягнути одна до одної.

Об’єднавши їх, ми винайдемо HASEL.

*джерело ілюстрації «HASEL Artificial Muscles for a New Generation of Lifelike Robots-Recent Progress and Future Opportunities»

Фактично це Pouch Motor де замість зовнішнього насосу, ми зробили насос всередині самої герметичної камери за допомогою гідростатичного EAP дуже схожого на EAP-H.

Для створення такого EAP підійде будь-який струмопровідний лак, а рідина — майже будь який діелектрик, який відповідає певним нормам.

EAP насосів всередині камери можна створити скільки завгодно і де завгодно, бо фактично це просто малюнок струмопровідним лаком на внутрішній поверхні герметичної камери м’яза.

У діелектрик можна додати клей що застигає при проколі камери, таким чином м’яз може закривати проколи як у безкамерних шинах. Це не так просто як здається, бо ми матимемо часткове падіння тиску. В колесі тиск можна підкачати, але в нашому випадку це значно складніше. Можливо це можна буде частково компенсувати програмно. Сама така можливість це вже добре.

Коротко складемо список переваг HASEL:

• Плавність руху: Швидкість і силу стиснення можна контролювати в широкому діапазоні.
• Мінімальні розміри: Фактично що тут займає місце, це драйвер керування м’язом. У порівнянні з гідравлічною чи пневматичною системою, з їх резервуарами, клапанами, насосами, трубками — займає менше місця.
• Висока точність: Рідина не стискається і її стала кількість, зусилля EAP контрольоване та має зворотній зв’язок.
• Висока ефективність: Насоси і клапани використовують електромагнітні сили, а EAP електростатичні. Хоч це і потребує дуже специфічного живленя — така технологія значно енергоефективна.
• Мінімальне тертя: Відсутність механічних компонентів, що потребують змащення, є однією з переваг HASEL.
• Надійність: Менша кількість деталей зменшує ймовірність поломок.
• Швидка реакція: Внутрішнє розташування насосу в герметичних камерах забезпечує швидке переміщення рідини, що вирішує проблему, яку мав Pouch Motor​.
• Ціна і простота: концептуально ця технологія не використовує складних технічних рішень чи дорогих матеріалів по типу електродів із золота як у IPMC.

Мінуси:

Один з головних мінусів HASEL-актуаторів — це специфічні вимоги до джерел живлення. Високовольтні джерела живлення часто є дорогими. Лабораторні джерела живлення взагалі можуть коштувати від 2000 до 6000 доларів, залежно від параметрів та можливостей налаштування. Проте, якщо створювати спеціалізовані драйвери для конкретних параметрів актуаторів, це коштує адекватних грошей. Наразі я працюю над таким. Я бачив у продажі доволі близькі за вольтажем і частотою рішення вартістю в 300 гривень, вони нам не підходять бо не мають певних специфічних налаштувань ШІМ, але показують що собівартість драйвера може бути низькою.

Завершальні думки

Проєкт поступово рухається вперед. Я опублікую наступний звіт, коли закінчу роботу над джерелом живлення і матиму фізичний зразок м’язу HASEL. Тоді я зможу поділитися результатами і сказати вам, чи правильним було рішення обрати HASEL, чи науковці приховали якісь специфічні мінуси, або ж я припустився помилки.

Щодо донатів, я пам’ятаю, ви питали. Наразі відбуваються певні специфічні зміни з ФОП, тому я не хочу поки що це реєструвати. Проте ваша підтримка є дуже важливою і цінною для мене. Я вдячний що ви питали про це. Дякую вам всім за увагу та підтримку.