در اوایل سال جاری ، الف ربات در کمتر از 2 ساعت و 40 دقیقه یک نیمه ماراتن را در پکن به پایان رساند. این کندتر از برنده انسانی است ، که بیش از یک ساعت به آن می رسید – اما هنوز هم یک شاهکار قابل توجه است. بسیاری از دوندگان تفریحی به آن زمان افتخار می کنند. این ربات سرعت خود را بیش از 13 مایل (21 کیلومتر) حفظ کرد.
اما این کار را با یک بار واحد انجام نداد. در طول راه ، ربات مجبور شد متوقف شود و باتری های خود را سه بار تعویض کند. این جزئیات ، در حالی که به راحتی نادیده گرفته می شود ، در مورد یک چالش عمیق تر در روباتیک صحبت می کند: انرژی.
روبات های مدرن می توانند با چابکی باورنکردنی حرکت کنند ، از حرکت حیوانات تقلید کنند و کارهای پیچیده را با دقت مکانیکی انجام دهند. از بسیاری جهات ، آنها با هماهنگی و کارآیی با زیست شناسی رقیب هستند. اما وقتی صحبت از استقامت می شود ، روبات ها هنوز کوتاه می شوند. آنها از تلاش خسته نمی شوند – آنها به سادگی از قدرت خارج می شوند.
به عنوان محقق روباتیک با تمرکز بر روی سیستم های انرژی ، من این چالش را از نزدیک مطالعه می کنم. چگونه محققان می توانند به روبات ها قدرت ماندگار موجودات زنده بدهند – و چرا ما هستیم هنوز از آن هدف دور است؟ اگرچه بیشتر تحقیقات روباتیک در مورد مشکل انرژی روی باتری های بهتر متمرکز شده است ، اما یک احتمال دیگر وجود دارد: ساخت روبات هایی که می خورند.
روبات ها به خوبی حرکت می کنند اما بخار را تمام می کنند
روبات های مدرن در حرکت بسیار خوبی دارند. با تشکر از ده ها سال تحقیق در زمینه بیومکانیک ، کنترل حرکتی و فعال سازی ، ماشینهایی مانند نقطه بوستون دینامیک و اطلس می توانند پیاده روی ، دویدن و صعود با چابکی که زمانی از دسترس خارج به نظر می رسید. در بعضی موارد ، موتورهای آنها حتی از عضلات حیوانات نیز کارآمدتر هستند.
اما استقامت موضوع دیگری است. به عنوان مثال ، نقطه می تواند برای آن کار کند فقط 90 دقیقه با اتهام کامل پس از آن ، نزدیک به یک ساعت برای شارژ مجدد نیاز دارد. این زمان های فرار فریادی از شیفت های هشت تا 12 ساعته انتظار می رود کارگران انسانی- یا استقامت چند روزه سگهای سورتمه ای باشد.
مرتبط: ربات جدید انبار آمازون دارای یک “لمس” است که می تواند جایگزین کارگران انسانی شود
مسئله این نیست که چگونه روبات ها حرکت می کنند – اینگونه است که آنها انرژی را ذخیره می کنند. امروزه بیشتر ربات های تلفن همراه از باتری های لیتیوم یون استفاده می کنند ، همان نوع موجود در تلفن های هوشمند و اتومبیل های برقی. این باتری ها قابل اعتماد و در دسترس هستند ، اما عملکرد آنها با سرعت آهسته بهبود می یابد: هر سال باتری های لیتیوم یون جدید حدود 7 ٪ بهتر از نسل قبلی هستند. با این نرخ ، یک دهه کامل طول می کشد تا صرفاً دو برابر زمان اجرای یک ربات باشد.
نگاه کردن
حیوانات انرژی را در چربی ذخیره می کنند ، که فوق العاده انرژی متراکم است: نزدیک به 9 کیلووات ساعت در هر کیلوگرم. این در حدود 68 کیلووات ساعت در یک سگ سورتمه ای است ، شبیه به انرژی موجود در یک مدل Tesla کاملاً شارژ شده 3. باتری های لیتیوم یون ، برعکس ، فقط بخشی از آن را ذخیره می کنند ، در حدود 0.25 کیلووات ساعت در هر کیلوگرم. حتی با داشتن موتورهای بسیار کارآمد ، یک ربات مانند Spot به یک باتری ده ها بار قدرتمندتر از امروز برای مطابقت با استقامت یک سگ سورتمه ای نیاز دارد.
و شارژ مجدد همیشه گزینه ای نیست. در مناطق فاجعه ، مزارع از راه دور یا در مأموریت های طولانی مدت ، یک پریز دیواری یا یک باتری یدکی ممکن است جایی در چشم نباشد.
در بعضی موارد ، طراحان ربات می توانند باتری بیشتری اضافه کنند. اما باتری های بیشتر به معنای وزن بیشتر هستند که باعث افزایش انرژی لازم برای حرکت می شود. در روبات های بسیار سیار ، تعادل دقیق بین بار ، عملکرد و استقامت وجود دارد. برای نقطهبه عنوان مثال ، باتری در حال حاضر 16 ٪ از وزن خود را تشکیل می دهد.
برخی از روبات ها استفاده کرده اند تابلوهای خورشیدی، و در تئوری اینها می توانند زمان اجرا را به ویژه برای کارهای کم مصرف یا در محیط های روشن و آفتابی گسترش دهند. اما در عمل ، انرژی خورشیدی نسبت به آنچه که روبات های تلفن همراه برای پیاده روی ، دویدن یا پرواز با سرعت عملی نیاز دارند ، قدرت بسیار کمی را تأمین می کند. به همین دلیل برداشت انرژی مانند پانل های خورشیدی امروز یک راه حل طاقچه است ، که مناسب تر برای روبات های ثابت یا فوق العاده کم است.
چرا مهم است
اینها فقط محدودیت های فنی نیستند. آنها تعریف می کنند که روبات ها چه کاری می توانند انجام دهند.
یک ربات نجات با باتری 45 دقیقه ای ممکن است به اندازه کافی طولانی برای تکمیل جستجو دوام نیاورد. یک ربات مزرعه که برای شارژ مجدد هر ساعت مکث می کند ، نمی تواند محصولات زراعی را به موقع برداشت کند. حتی در انبارها یا بیمارستان ها ، زمان های کوتاه مدت پیچیدگی و هزینه را اضافه می کنند.
اگر روبات ها در جامعه به سالمندان کمک کنند ، به کاوش در محیط های خطرناک و کار در کنار انسانها ، نقش های معناداری ایفا کنند ، آنها به استقامت نیاز دارند تا ساعت ها فعال بمانند ، نه چند دقیقه.
شیمی جدید باتری مانند لیتیوم سولفور وت هوا یک مسیر امیدوار کننده تر به جلو ارائه دهید. این سیستم ها نسبت به سلولهای لیتیوم یون امروزی ، تراکم انرژی نظری بسیار بالاتری دارند. برخی از سطح رویکرد که در چربی حیوانات دیده می شود. هنگامی که با محرک هایی که به طور مؤثر انرژی الکتریکی را از باتری به کار مکانیکی تبدیل می کنند ، زوج می شوند ، می توانند روبات ها را با هم مطابقت یا حتی از استقامت حیوانات با چربی کم بدن سازگار کنند. اما حتی این باتری های نسل بعدی محدودیت هایی دارند. شارژ مجدد ، تخریب به مرور زمان یا موانع مهندسی در سیستم های دنیای واقعی دشوار است.
شارژ سریع می تواند به کاهش خرابی کمک کند. برخی از باتری های نوظهور می توانند دوباره شارژ شوند در دقیقه به جای ساعت هابشر اما تجارت وجود دارد. شارژ سریع باعث افزایش عمر باتری ، افزایش گرما می شود و اغلب به زیرساخت های شارژ سنگین و پر قدرت نیاز دارد. حتی با پیشرفت ، یک ربات سریع شارژ هنوز هم باید به طور مکرر متوقف شود. در محیط هایی که بدون دسترسی به برق شبکه هستند ، این مسئله مشکل اصلی انرژی محدود روی تخته را حل نمی کند. به همین دلیل محققان در حال بررسی گزینه های دیگری از قبیل روبات های “سوخت گیری” با سوخت های فلزی یا شیمیایی – دقیقاً مانند حیوانات می خورند – برای دور زدن محدودیت های شارژ الکتریکی.
در طبیعت ، حیوانات شارژ نمی شوند ، آنها می خورند. مواد غذایی از طریق هضم ، گردش و تنفس به انرژی تبدیل می شوند. چربی هایی که انرژی را ذخیره می کنند ، خون آن را حرکت می دهد و عضلات از آن استفاده می کنند. روبات های آینده می توانند یک طرح مشابه را دنبال کنند متابولیسم مصنوعیبشر
برخی از محققان در حال ساخت سیستم هایی هستند که به روبات ها اجازه می دهند “هضم” فلز یا سوخت های شیمیایی و نفس کشیدن اکسیژنبشر به عنوان مثال ، راکتورهای شیمیایی مصنوعی و معده می توانند مواد پر انرژی مانند آلومینیوم را به برق تبدیل کنند.
این امر بر پیشرفت های بسیاری در استقلال روبات ، جایی که روبات ها می توانند اشیاء را در یک اتاق و برای انتخاب آنها حرکت کنید، اما در اینجا آنها می توانند منابع انرژی را جمع کنند.
محققان دیگر در حال توسعه سیستم های انرژی مبتنی بر مایعات هستند که مانند خون گردش می کنند. یک مثال اولیه ، یک ماهی روباتیک، با استفاده از یک مایع چند منظوره به جای باتری استاندارد لیتیوم ، چگالی انرژی خود را سه برابر کرد. این تغییر طراحی واحد ، معادل 16 سال بهبود باتری را نه از طریق شیمی جدید بلکه از طریق یک رویکرد بیولوژیکی بیشتر ارائه می دهد. این سیستم ها می توانند به روبات ها اجازه دهند تا مدت زمان طولانی تری کار کنند و انرژی را از موادی که انرژی بیشتری نسبت به باتری های امروزی دارند ، جذب کنند.
در حیوانات ، سیستم انرژی چیزی بیش از تأمین انرژی انجام می دهد. خون به تنظیم دما ، تحویل هورمون ها ، مبارزه با عفونت ها و ترمیم زخم ها کمک می کند. متابولیسم های مصنوعی می توانند همین کار را انجام دهند. روبات های آینده ممکن است با استفاده از مایعات در گردش ، گرما را مدیریت کنند یا خود را با استفاده از مواد ذخیره شده یا هضم شده بهبود بخشند. به جای یک باتری مرکزی ، انرژی را می توان در بدن در اندام ، مفاصل و اجزای نرم و نرم و بافتنی ذخیره کرد.
این رویکرد می تواند به ماشینهایی منجر شود که فقط ماندگارتر نیستند بلکه سازگار تر ، انعطاف پذیر و زندگی هستند.
خط پایین
روبات های امروزی می توانند مانند حیوانات جهش و اسپرینت کنند ، اما نمی توانند از راه دور بروند.
بدن آنها سریع است ، ذهن آنها در حال بهبود است ، اما سیستم های انرژی آنها گیر نکرده است. اگر روبات ها قصد دارند در کنار انسان به روش های معنی دار کار کنند ، ما باید بیشتر از اطلاعات و چابکی به آنها بدهیم. ما باید به آنها استقامت بدهیم.
این مقاله ویرایش شده از مکالمه تحت مجوز Creative Commons. خواندن مقاله اصلیبشر
ارسال نظر شما
مجموع نظرات : 0 در انتظار بررسی : 0 انتشار یافته : 0