Potrójna siła i chirurgiczna precyzja – wyniki nowych stawów mówią same za siebie
Większość współczesnych robotów polega na tradycyjnych zawiasach i łożyskach (tzw. złączach obrotowych), które choć skuteczne, mają swoje ograniczenia – są sztywne, generują tarcie i wymagają skomplikowanego oprogramowania do sterowania płynnym ruchem. Zespół z Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) postanowił rozwiązać ten problem, czerpiąc inspirację z natury.
Nowe rozwiązanie to tzw. złącza o kontakcie tocznym (RCJ) – w przeciwieństwie do typowego zawiasu, który obraca się wokół stałej osi (jak drzwi), RCJ składa się z zakrzywionych powierzchni, które przetaczają się po sobie, połączonych elastycznymi „więzadłami”.
Badacze opracowali zaawansowany model matematyczny, który pozwala optymalizować kształt tych powierzchni dla konkretnych zadań. Dzięki temu ruch robota jest „zaprogramowany” w samej jego konstrukcji mechanicznej, a nie tylko w kodzie sterującym silnikami.
Czytaj też: Koniec z naciągaczami? Galaxy S26 może przejąć najlepszą funkcję Pixela
„Staramy się myśleć o projektowaniu robotów jako o procesie ściśle powiązanym z zadaniem i sterowaniem. Naszym celem jest przeniesienie jak największej części kontroli ruchu na mechanikę i materiały robota, aby system sterowania mógł skupić się na celach wyższego poziomu” – tłumaczy Robert J. Wood, profesor inżynierii i nauk stosowanych na Harvardzie.
Zespół przetestował nową technologię w praktyce, budując chwytak robotyczny oraz mechaniczne kolano. Wyniki są imponujące:
- 3-krotnie większy udźwig: Chwytak wykorzystujący stawy toczne był w stanie podnieść ciężar trzykrotnie większy niż identyczne urządzenie oparte na tradycyjnych rozwiązaniach.
- Niezwykła precyzja: Zaprojektowane kolano zredukowało błędy w ustawieniu (tzw. misalignment) aż o 99,6% w porównaniu do standardowych stawów obrotowych.
- Uproszczone sterowanie: Ponieważ trajektoria ruchu jest wymuszona przez kształt stawu, silniki i algorytmy sterujące mogą być znacznie prostsze.
Roboty, które w końcu poruszają się jak my
Nowatorska (choć naśladująca przyrodę) konstrukcja stawów może znaleźć szerokie zastosowanie wszędzie tam, gdzie kluczowa jest płynność ruchu i kompaktowa budowa przy zachowaniu dużej siły. Naturalny ruch mechanicznej kończyny w oczywisty sposób nasuwa jedno z zastosowań ze styku bliologii i mechaniki – można w ten sposób stworzyć protezy kończyn, które poruszają się w sposób bardziej naturalny i komfortowy dla pacjenta, naśladując np. poślizg i toczenie się kości w stawie kolanowym.
Precyzyjne przeniesienie ruchu znakomicie sprawdzi się także w chirurgii zdalnej w skali normalnej i mikro – nowe stawy pozwolą na zwiększenie precyzji ruchów bez nadmiernego komplikowania konstrukcji i sterowania. No i, całościowo rzecz biorąc, nowe stawy to także nowe możliwości budowy robotów współpracujących z ludźmi, które staną się bezpieczniejsze dzięki elastycznym elementom, ale zachowują przy tym sztywność potrzebną do przenoszenia ciężarów.