Поскольку человеческие технологии приобретают все больше характеристик природы, природа становится более полезным учителем
Под биоинспирированной (био-вдохновлённой) робототехникой мы подразумеваем использование фундаментальных биологических принципов, которые воплощаются в правила инженерного проектирования, для создания робота, который работает как естественная система.
Если биологическое понимание приводит к прямому использованию биологического материала для разработки синтетических машин, то мы называем это биогибридным роботом.
За последние 30 лет специфически грандиозные задачи для биороботики практически не изменились:
батарея, соответствующая метаболической конверсии, мышечные исполнительные механизмы, самовосстанавливающийся материал, который сам себя производит, автономия в любой среде, человекоподобное восприятие и, в конечном счете, вычисления и рассуждения.
Для недавнего прогресса в решении этих и других конкретных задач, стоит рассмотреть несколько из многих выдающихся перспектив и обзоров.
Здесь определены основные цели,
которые, если бы они были достигнуты, ускорили бы разработку и внедрение роботов с биоинспирацией и биогибридом беспрецедентными темпами.
Основные проблемы остаются почти для всех компонентов технологий, которые могут обеспечить биоинспирированное поведение.
Материалы, которые объединяют восприятие, приведение в действие, вычисления и коммуникацию, являются критическими и должны быть переданы в соответствии с разработкой.
В новых разработках гетерогенных, анизотропных, иерархических, многофункциональных материалов использовались различные конструкции структурных элементов для повышения прочности, жесткости и гибкости материала; вязкость разрушения; износостойкость; и поглощение энергии.
Эти достижения обещают предоставить роботам такие функции, как поддержка тела, снижение веса, защита от ударов, морфологические вычисления и мобильность.
Методы, недавно появившиеся для изготовления архитектур на микро-, мезо- и макромасштабе, включают рекомбинантные технологии, биоминерализацию, послойное осаждение, ориги и киригами, самосборку, биотемплирование, магнитную манипуляцию, замораживание, литье в вакууме экструзия и прессование валков, лазерная гравировка, аддитивное производство, литье под давлением и мягкая литография.
Для биогибридных и биоинспиральных роботов приведение в действие и энергия остаются основными слабыми местами по сравнению с показателями, наблюдаемыми у животных.
Электромагнитные двигатели являются адекватными приводами для больших роботов, но неэффективны в небольших масштабах или в мягких системах.
Новые искусственные мышцы могут произвести революцию в биоинспирированных роботах
В современных версиях, которые имеют функцию, подобную мышцам, и работают за счет усадки или расширения материала, такого как материалы с памятью формы и электроактивные полимеры, не имеют прочности, эффективности, а также плотности энергии и мощности. Ни одна батарея еще не может сравниться с выработкой метаболической энергии в организмах, поэтому очень миниатюрные биогибридные роботы, приводимые в действие биологическими мышцами, становятся выгодными.
Биогибридные роботы могут использовать уникальные свойства живых клеток, которые включают в себя самовосстановление, встроенные датчики, динамическую реакцию на изменение условий окружающей среды и использование недорогого и экологичного топлива.
Основная проблема остается в том, как эти компоненты эффективно интегрированы и воплощены для выполнения поведения на уровне системы. В области робототехники, основанной на биологических инновациях, необходимо решать различные задачи, главным образом из-за синтеза / производства эффективных и масштабируемых искусственных компонентов.
Тем не менее, биология достигла прогресса в обеспечении принципов, особенно для мобильности и манипуляции.
Новые открытия в гидро-, аэро- и террадинамике привели к созданию впечатляющего «робо-зоопарка» биоинспирированных роботов, которые извлекают выгоду из нелинейных, неустойчивых, самостабилизирующихся, накопляющих энергию и возвращаемых количественных принципов у животных.
Дальнейшее развитие требует понимания переходов и мультимодальной производительности в рамках одной и той же платформы.
Значительный прогресс был достигнут в биоинспирированных, квазистатических, манипуляциях с захватом и размещением и захвате, но ни одна система не имеет настолько интегрированных компонентов, чтобы соответствовать гибкости и ловкости рук человека.
Поскольку роботы на биоинспирированных предприятиях выходят за рамки лаборатории, потребуются модели реальных неструктурированных сред, но ни один из них пока не может адекватно представить наш сложный, динамичный мир.
Хотя существуют модели первого принципа для гидро- и аэродинамических систем (уравнения Навье-Стокса), для понимания того, как биоинспирированные роботы эффективно взаимодействуют с землей, требуется аналогичная система для террадинамики.
Из-за их ошеломляющей сложности одна из величайших проблем при извлечении фундаментальных принципов из биологических систем включает абстракцию модели и уменьшение размеров.
Внутренние модели могут позволить нам проверить гипотезы и упростить управление, особенно если поместить их в рамки теории динамических систем.
Эти модели становятся еще более важными, поскольку нам требуются простые представления для использования в подкреплении, контроле и глубоком обучении для адаптивности, принятия решений и даже творчества.
