Новые материалы и схемы изготовления
Зубчатые передачи, двигатели и электромеханические приводы имеют фундаментальное значение для многих современных роботизированных платформ, однако лаборатории по всему миру начали изучать новые материалы, включая искусственные мышцы, совместимые материалы для мягких роботов и новые передовые технологии производства и сборки. Появление нового поколения энергоэффективных, многофункциональных, совместимых и автономных роботов, схожих с биологическими организмами. Однако большинство демонстраций с использованием новых материалов и стратегий изготовления были "разовыми" и должны были преодолеть основные препятствия для достижения широкомасштабного внедрения.
Эти препятствия включают в себя улучшение портативного хранения и сбора энергии, новые материалы с изменяемыми свойствами и новые производственные стратегии для воплощения этих функциональных материалов в качестве новых возможностей для будущих роботов, включая строительство и ремонт самого робота. Новые материалы, сочетающие в себе сенсорные и исполнительные функции, бросают вызов физическим ограничениям традиционных мехатронных систем и открывают широкие возможности для проектирования новых роботов. Многие принципы проектирования черпают вдохновение в природе. У позвоночных можно обнаружить широкий спектр свойств материала от мягких тканей до костей свыше семи порядков величины по модулю упругости, что опосредовано постоянным градиентом соответствия.
В отличие от более "гаек и болтов", используемых в настоящее время для объединения основных компонентов в комплексные роботы. Бесшовная интеграция различных материалов (например, жестких с мягкими, проводящих с диэлектриками и т.д.), имеющих пространственную структуру на несколько порядков меньше, чем характерные размеры робота. Может устранить необходимость в сложной сборке и привести к распределению функций.
Как и функционально дифференцированные материалы, многофункциональные материалы могут повысить эффективность проектирования роботов и одновременно предложить распределенные сети датчиков и исполнительных механизмов с иерархической структурой. Существуют возможности для использования прорывов в области складных метаматериалов, которые продемонстрировали настраиваемые электромагнитные или механические свойства сверх того, что возможно с самим базовым материалом. Аналогичным образом, многофазные композиты могут использоваться для одновременного срабатывания или обнаружения жидкости.
Текстиль является перспективным материалом для мягкой и износостойкой робототехники, вызывая значительный интерес к встраиванию электрических функций в ткани. Наконец, двунаправленные датчики позволяют датчикам и исполнительным механизмам вести себя как материалы для сбора или хранения энергии. При разработке новых материалов для будущего робототехники важно будет рассмотреть вопросы биоразлагаемости или в рамках парадигмы экономики с многооборотным использованием продукции для обеспечения ее экологической устойчивости. Это особенно актуально, учитывая повсеместный характер роботизированных платформ в будущем.
Изготовление и сборка, как правило, представляет собой последовательный процесс, который является медленным и трудным для масштабирования до очень больших или очень малых масштабов. В 2016 году Нобелевская премия по химии была присуждена трем пионерам в области механохимии, создавшим первые синтетические молекулярные машины. Главная нереализованная до сих пор задача, несмотря на пророчество Фейнмана, заключается в разработке материалов путем интеграции этих молекулярных машин или других силовых молекул или биологических моторных белков в иерархические материалы.
Существуют значительные возможности для конвергенции аддитивных и вычитательных методов с новыми двухмерными (2D) и 3D преобразованиями для создания новых архитектур, которые могут упростить потребность в специализированном оборудовании и повысить функциональность робота. Например, 3D-печать (или аналогичные методы, такие как многофотонная литография или селективное лазерное спекание) может создавать особенности и структуры размером более девяти порядков.
