Učíme se (skvěle) od přírody

Základní otázkou je, jak vytvořit technickými prostředky pohybový aparát, který se svou koncepcí výstavby, technickou konstrukcí a bionickým designem, co nejvěrněji sleduje přirozenou podobu člověka. Kombinace mechatroniky a bioniky naznačuje nové možnosti automatizace pohybových procesů. Cílem celé této činnosti je detailní pochopení principů utváření přírody a přezkoušení jejich technické proveditelnosti. Ačkoli jsou tyto principy již delší dobu známy z medicíny a dalších vědních oborů, do techniky jich bylo převedeno jen málo. AIRIC´S_ARM Robotické rameno s pneumatickými svaly je inspirováno přírodou. Současný technický svět se vyznačuje precizními, rychlými, robustními a spolehlivými komponenty s dlouhou životností, uplatňujícími se ve všech oblastech života. Neexistuje téměř nic, co by stroj nemohl v detailu vykonávat stejně jako člověk. Naopak, neexistuje žádný přístroj, který umí všechno to, co umí člověk. To nespočívá pouze v jedinečnosti intelektu, ale i v enormní všestrannosti lidského těla. Na rozdíl od konstruovaného světa nejsou lidské končetiny tak tuhé, jejich struktura je lehká a pracují efektivněji, tělo reaguje samo od sebe a je univerzálnější – s několika pomůckami zvládá skoro každou úlohu. Člověk má v rameni, paži a ruce celkem 64 svalů a 28 kostí. Kromě toho je zde mnoho receptorů pro teplotu, polohu, hmat a bolest. Vzhledem ke speciální stavbě kloubů dociluje paže úžasnou sílu a volnost pohybu téměř ve všech směrech. Může rychle reagovat, definovatelně uchopit a velmi přesně polohovat. Basebalista dosahuje při odpalu rychlosti až 150 km/h. Při vzpírání dokáže zvednout trhem a udržet 250 kg. Všechny tyto vlastnosti nejsou důležité pouze pro člověka, ale v budoucnosti budou zajímavé také pro robotiku. Díky robotům bude možno stále více nebezpečnějších a ohrožujících situací přenechat technice. Airic´s_arm je robotické rameno vybavené artefaktovými kostmi a svaly. Strukturou kostí pohybuje 30 svalů. Napodobují rameno, loket, zápěstí, loketní a vřetenní kost atd. U Airic nerostou kosti samy a nehojí se po zlomeninách. Jsou konstruovány počítačem a rostou díky nejmodernějším laserovým metodám trojrozměrného slinování z polyamidu. Svaly jsou produktem společnosti Festo pod názvem Fluidic Muscle a jsou již v průmyslové praxi rozšířeny. Jedná se o hadici z elastomeru s vetkanými aramidovými vlákny. Při naplnění svalu tlakovým vzduchem se zvyšuje jeho průměr a současně se zmenšuje jeho délka. Počáteční síla je značně velká a sval se svou dynamikou podobá lidskému svalu. Výhodou je, že ve zkráceném stavu nepotřebuje přívod žádné další energie. To znamená, že závaží vyzvednuté do určité polohy v ní může být udržováno libovolně dlouho. U této technologie se postupně daří síly a tuhost v konstrukci přesně regulovat. Daří se to velmi malými a vysoce inovativními piezoproporcionálními ventily Festo. Pouze díky kompaktní konstrukci se podařilo 72 ventilů včetně tlakové senzoriky a výkonové elektroniky v podobě 8ventilových terminálů umístit v blízkosti svalů, neboť jen tak může být zajištěna dobrá regulovatelnost svalu. Tažná síla, příp. zkrácení jednotlivých svalů je určována tlakovými a délkovými senzory. Firmou Festo vyvinutá mechatronická jednotka reguluje průběhy tlaku systému, a to umožňuje pohyby, které jsou svou kinematikou, rychlostí, silami i jemností téměř shodné s lidským pohybem. Koordinace těchto mnoha aktuátorů je možná pouze pomocí nejmodernějších mechatronických systémů a softwaru. K čemu u lidí v pohybech dochází bez dalšího přemyšlení nevědomky nebo dokonce reflexně, musí se zde docilovat nákladným počítačovým řízením a regulováním. Rozšíření senzoriky Airic´s_arm pomocí kamer nebo pomocí elementů hmatového vnímání umožní další vývoj zařízení a jeho rozšiřování do oblasti zad, boků, týlu apod. Festo se chce bionickými projekty překračujícími jednotlivé obory angažovat při nových aplikacích v automatizaci. Při tom využívá svoje inovativní průmyslové prvky a komponenty nejrůznějším způsobem. Pro komplexní pohonné formy je především člověk. Technické údaje Rozměry v akci 85 x 85 x 65 cm. Celková hmotnost 6,3 kg. Počet ventilů: 32 piezoproporcionálních ventilů s průtokem 50 l/min, rozměry 62 x 15 x 7,5 mm, 40 ventilů piezo Pico s průtokem 9 l/min s rozměry 30x5x13 mm. Počet aktuátorů: MAS 20 : 1, MAS 10 : 12, MAS 5: 19. Počet senzorů: 32 tlakových a 6 pro měření vzdálenosti. Iniciátorem celého projektu je Festo AG. AQUA_RAY A AIR_RAY Skutečnými profesionály v podvodním pohybu jsou rejnoci. Pohyb jejich ploutve se při tom podobá rázům ptačích křídel ve vzduchu. Jejich vlnivý pohyb je optimem maximálního dopředného tahu při minimální spotřebě energie. Elegantní pohyb dělá z rejnoka skutečného podvodního akrobata. Aqua_ray je dálkově řízená vodohydraulicky provozovaná ryba napodobující tvarem a kinematikou pohybový model rejnoka. Jako aktuátory slouží bionické Fluidic Muscles Festo. Umožňují vláčně elastický pohyb. Kombinovaný Fin Ray Effect® tvoří centrální jednotku dopředného pohybu a řízení. Je konstrukčně odvozen z funkční anatomie rybí ploutve. Umožňuje téměř perfektně imitovat přírodní předlohu. Umožní rovnoměrné rozložení vznikající síly po celé ploše křídla-ploutve. Plynulé pohyby svalů se přeměňují v dynamické rázy křídel-ploutví a umožňují tak zachovat dopředný pohyb umělého rejnoka. Potřebnou energii u Aqua_ray vyrábí centrální křídlové komůrkové čerpadlo, které ji ve formě tlaku předává speciálními ventily třem antagonisticky pracujícím svalovým párům. Tažná síla je umělými šlachami z pevných lanek přes kladky přenášena na křídlo a ocas, které dráhu síly z 55 mm převádí na rázy ploutví větší než 550 mm. Použitím nových elastických materiálů pro všechny pohyblivé části a 3D-tvarovatelné „kůže“, stejně jako sladěním elasticity a samoadaptivních vlastností skeletu se podařilo uspořádat kinematiku plavání podle přírodního zdroje. Částečnou funkci při tom přejímá voda, neboť jen tak může být dosažena úplná automatizace pohybu. Aqua_ray je dobře manévrovatelný a může být využíván jako hydrostatický kluzák nebo provozován aktivními rázy křídel. To znamená značné energetické úspory. Aqua_ray je využitelný při výzkumu mořských hlubin bez rušivého vlivu na přírodní prostředí. Také Air_ray má za vzor rejnoka. Jedná se o dálkově řízenou hybridní konstrukci z balonetů plněných heliem a pohonu mávavého křídla. Díky lehké konstrukci a vztlaku helia může „plavat“ ve vzdušném moři tak, jako rejnok ve vodě. Servopohon přitahuje v podélném směru alternativně oba boky a pohybuje tak křídlem nahoru a dolů. Tato struktura je doplněna torzními pásy středového nosníku sloužícího pro upevnění servomotoru, kterým se dá křídlo natáčet ve své příčné ose. Tím je možné zpětné létání. Totéž platí i pro výškové kormidlo. Uzavřené obrysy nepřítomnost rotujících součástí umožňuje pohyb také v citlivém prostředí. Plynulý svalový pohyb je převáděn na dynamický rázový pohyb, kterým získává umělý rejnok svůj dopředný tah. Fin Ray Effect® umožňuje také první praktické aplikace v automatizaci. Bionic Learning Network je součástí technického vzdělávání a dalšího vzdělávání. Technické údaje Celková délka 61,5 cm, celková šířka 96,0 cm, výška 14,5 cm. Hmotnost cca 10 kg. Materiál základního tělesa: plast zesílený skleněnými vlákny, křídla/ ploutve a ocas: CURV® řezaný vodním paprskem a kůže: polyamid s elastomerní součástí. Pohon/řízení: bezkartáčový motor pohání 400l čerpadlo, které přes tři 6/2cestné ventily pohání 6 MAS 1O Fluidic Muscle od Festo. Dva servopohony slouží pro natáčení křídel. Napětí 24 V, 10 Ah. Max. rychlost cca 1,8 km/h. Minimální délka plavby při plném zatížení je delší než 30 minut. Senzory, diagnostika: 5 úhlových, 2 tlakové a 1 napěťový senzor. Řízení: bezdrátová digitální adresovatelná obousměrná komunikace Výkon počítače: dvě jednotky po 10 MIPS s 40 MHz. Fin Ray Effect® je značka Evologics GmbH, Berlin a CURV® firmy Propex Fabrics GmbH, Gronau. /an/