Materiał na robota

Sukcesy w zakresie robotyki i automatyki będą zależały nie tylko od postępu prac w dziedzinie informatyki i sztucznej inteligencji. Będzie mieć również znaczenie dostępność nowych materiałów umożliwiających wykonanie odpowiednich konstrukcji maszyn przyszłości.

Sukcesy w zakresie robotyki i automatyki będą zależały nie tylko od postępu prac w dziedzinie informatyki i sztucznej inteligencji. Będzie mieć również znaczenie dostępność nowych materiałów umożliwiających wykonanie odpowiednich konstrukcji maszyn przyszłości.

O inteligentnych maszynach myśli się przeważnie w kontekście systemów informatycznych zdolnych do przetwarzania informacji na wzór ludzkiego mózgu. Zapomina się często, że do skutecznego działania takich maszyn jest potrzebna też odpowiednia konstrukcja mechaniczna. Dobrze funkcjonujący robot musi mieć wysoko rozwinięty "mózg" sterujący jego pracą, ale to nie wszystko. Potrzebne jest także bardzo sprawne "ciało" zdolne do realizacji zadań stawianych przed robotem. Do jego wykonania nie wystarczą tradycyjne, produkowane dotychczas materiały. Zwykła blacha i plastik to za mało, by robot zachowywał się tak, jak byśmy tego oczekiwali.

W wielu przypadkach funkcjonowanie nowych maszyn wymaga użycia nowych konstrukcji, nie stosowanych w tradycyjnych układach mechanicznych. Do ich budowy są potrzebne tzw. materiały inteligentne. Przykładowo, na nic nawet najbardziej wymyślne skomplikowane oprogramowanie umożliwiające wykonywanie bardzo precyzyjnych operacji w niedostępnym lub niebezpiecznym dla człowieka otoczeniu, jeżeli ramię robota z zamontowanym narzędziem będzie silnie drgało. A tak z pewnością się stanie, jeżeli zostanie ono wykonane z typowych części.

Nowe ciała

Do wyeliminowania drgań w konstrukcji robota są dzisiaj wykorzystywane najczęściej piezoeletryki, będące przykładem inteligentnych materiałów. Za ich pośrednictwem siłę można zmieniać w napięcie elektryczne, i na odwrót. Mogą być wykonane z materiałów ceramicznych, plastiku lub tlenków cyrkonu, ołowiu, niobu. Umieszcza się je w polu magnetycznym i w odpowiedni sposób formuje.

Zanim trafiły do automatyki, ich działanie z powodzeniem przetestowano w bardziej tradycyjnych konstrukcjach. Są stosowane m.in. do tłumienia drgań mostów. Mierzą siłę nacisku przejeżdżającego pojazdu i korygują kształt mostu, tak aby jego powierzchnia nie uległa zbytniemu odkształceniu. Są także wykorzystywane w różnego rodzaju zaworach, ułatwiając szybkie i precyzyjne sterowanie nimi. Ich pracą kieruje system komputerowy, który na podstawie pomiarów dobiera odpowiednie parametry.

Istnieją różne pomysły na wykorzystanie piezoelektryków w przyszłości. Myśli się np. o ich zastosowaniu do zmiany kąta nachylenia zwierciadła lub czaszy anteny radiowej. Położenie zwierciadła o bardzo dużej powierzchni trudno jest zmienić. Ma ono dużą bezwładność, sporo czasu zajmuje wprawienie go w ruch i ustawienie w pożądanej pozycji. Jeżeli natomiast taką płaszczyznę podzielimy na wiele drobniutkich kawałków, to wtedy łatwiej będzie nią manipulować. Całość będzie znacznie szybciej zmieniała położenie w wyniku zmiany położenia poszczególnych elementów, wszystkie ustawienia zaś będą bardziej precyzyjne. Z piezoelektryków wykonuje się siłowniki sterujące elementami. Ich działanie jest nadzorowane przez komputer, który m.in. oblicza pożądaną pozycję dla każdego elementu osobno. Wojsko zamierza używać piezoelektryków do precyzyjnego sterowania ruchem lufy w czołgu, aby jej odchylenie podczas strzału było jak najmniejsze, a więc strzał celniejszy.

Inną grupę materiałów inteligentnych stanowią te z pamięcią kształtu. Znalazły szerokie zastosowanie m.in. w biomedycynie i biomechanice. Używa się ich np. do łączenia kości. Odlew nakłada się na kość i podgrzewa do temperatury 40-60 °C. Wtedy przyjmuje on zaprojektowany wcześniej kształt, najlepiej pasujący do łączonych fragmentów kości. Bardziej futurystyczne wizje są związane z możliwościami wykorzystania takich materiałów w kosmosie. Niektórzy uważają, że umożliwią one organizowanie tanich podróży po orbicie. Mogłyby z nich być wykonywane specjalne żagle pozwalające na wykorzystanie wiatru słonecznego do napędu statków kosmicznych. Żagle takie, zrobione z cienkiego, zajmującego mało miejsca specjalnego plastiku, byłyby pakowane na Ziemi, a potem rozpakowywane na orbicie, gdzie samoistnie przyjmowałyby "zapamiętany" kształt żagla słonecznego. Teoretycznie można by zbudować układ z pamięcią kształtu, który mógłby odebrać całą energię przy zderzeniu samochodów.

Duże możliwości zastosowania w robotyce, np. do płynnego przenoszenia ruchu z jednego układu do drugiego, mogą dawać właściwości trzeciej grupy materiałów inteligentnych - cieczy elektro- i magneto-reologicznych. Zazwyczaj do ich wykonania używa się oleju kukurydzianego z cząsteczkami skrobi. Na sposób ich zachowania wpływają zmiany w polu magnetycznym lub elektrycznym. Często są wykorzystywane w sprzęgłach bezdociskowych. Aby tego typu sprzęgło mogło zadziałać, nie trzeba używać siły, wystarczy niewielkie napięcie.

Inteligentny przekładaniec

Materiały inteligentne powstają dzięki umiejętności integracji dorobku różnych dyscyplin nauki i techniki. Ich tworzenie stało się możliwe m.in. dzięki teorii pól sprzężonych - w dużym skrócie mówiącej o tym, że wszystko może oddziaływać na wszystko. W tradycyjnej fizyce przyjmuje się, że do odkształcenia ciała potrzeba siły. Zgodnie z teorią sprzężeń takie samo odkształcenie jest możliwe także poprzez przyłożenia napięcia, pola magnetycznego lub działanie temperatury. I odwrotnie, użycie siły może spowodować zmianę napięcia lub temperatury ciała. Dzięki temu materiały inteligentne mają tę przewagę nad tradycyjnymi, że mogą jednocześnie spełniać funkcje: pomiarową i wykonawczą.

Pod względem składników materiały inteligentne nie zawierają nowych, nie znanych wcześniej substancji. Do ich wykonania używa się tradycyjnych, powszechnie dostępnych składników. Muszą być one jednak wyjątkowo czyste, bez domieszek. "Specyfika materiałów inteligentnych polega na budowie kompozytowej, na odpowiednim dobraniu i wymieszaniu różnych elementów" - wyjaśnia prof. Andrzej Tylikowski z Wydziału Samochodów i Maszyn Roboczych Politechniki Warszawskiej. Konstrukcje kompozytowe nie są jednorodne, gdyż zawierają różne warstwy. Właściwy ich dobór stwarza możliwości nowych zastosowań, niedostępnych dla tradycyjnych, jednorodnych materiałów. Trudno sobie wyobrazić, by w przyszłości mogły się bez nich obyć systemy mechaniczne sterowane za pomocą komputera.