בעשור האחרון התפתחו רובוטים חדשניים בעלי מבנה "רך", שגופם עשוי פולימרים וחומרים חכמים, כמעט ללא חלקים מכניים קשיחים ומנועים. לרובוטים אלו יתרונות באינטראקציה עם הסביבה והם כבר מיושמים בתעשייה לאחיזת חפצים עדינים, אך דורשים בדרך כלל מנגנון הפעלה חיצוני מסורבל שמעכב את פריצתם הגדולה.

רוב הרובוטים התעשייתיים הם מניפולטורים: זרועות מכניות המורכבות משרשרת של חוליות מתכתיות קשיחות עם מנועים ביניהן (איור 1). בכחמישים שנות קיומה של הרובוטיקה המודרנית, למרות התפתחויות מדהימות בתחומי ההנעה, המחשוב, האלגוריתמיקה והאנרגייה, עיקרון מכני זה נותר כמעט ללא שינוי מאז הרובוט התעשייתי הראשון (איור 2) ועד קו ייצור רובוטי מודרני.

איור 1: רובוטים תעשייתיים (מניפולטורים) בתעשיית הרכב

איור 2: Unimate - הרובוט התעשייתי הראשון

ברובוטים רכים המבנה המכני של גוף הרובוט עבר שינוי שובר פרדיגמה (איור 3). רובוט כזה עשוי ברובו מחומרים פולימריים גמישים ("רכים"), ולכן בעל יתרון משמעותי באינטראקציה עם חפצים עדינים. באופן טבעי תפסניות (grippers) "רכות" הן השימוש התעשייתי הראשון והנפוץ של טכנולוגיה זו לענפי המזון והחקלאות (דוגמאות בקישור [1]). יישום היברידי כזה - תפסנית רכה המותקנת על רובוט קונבנציונלי - מנצל את יתרונות הטכנולוגיה ועוקף את האתגרים הכרוכים בה, ושעליהם נפרט בהמשך. 

יתרון נוסף של רובוט העשוי מחומרים בעלי קשיחות נמוכה הוא השרידות שלהם – חומרים אלו יכולים לעבור עיוותים גדולים ולחוות אימפקטים משמעותיים מבלי שייפגעו התכונות או הפונקציונליות שלהם. בשל תכונות אלו משפחת הרובוטים הרכים מהווה הבטחה גדולה בתחום החיפוש וההצלה. חוקרים מאוניברסיטת הארוורד דרסו ושרפו רובוט כזה, אבל אל תמהרו לפנות לשירותי הרווחה, כי הרובוט המשיך להתקדם [2]. לאחרונה פיתח אחד החוקרים האלו פולימרים בעלי יכולת "ריפוי עצמי" (self-healing) – הפולימר מאחה בעצמו חתכים קטנים תחת כוח לחיצה בין שני חלקי החתך [3]. אה, והוא גם זוהר בחושך. זו לא דוגמה בודדת – יש מחקר ענף בתחום החומרים החכמים, כולל פולימרים שניתן להקנות להם תכונות מיוחדות, והיישום שלו לרובוטים מתבקש.

איור 3: רובוט רך זוחל מתחת למכשול. Prof. Robert Shepherd

גם ביישומים הרפואיים [4] מבטיחים לנו הרים וגבעות בתחום הרובוטים הרכים, בייחוד בניתוחי פולשנות מינימלית (Minimally invasive surgery). כיום בשיטה זו, דרך חתך קטן מוכנס מכשור לתוך הגוף והוא מנווט בחללי הגוף עד ליעד הניתוח בנקודה מרוחקת. רובוטים קונבנציונליים קשיחים על פי רוב אינם מתאימים להחדרה אל תוך גוף האדם, ולכן רוב הכלים בתחום זה הם פסיביים, ללא יכולת מניפולציה ותנועה, שיכולה להביא למהפכה של ממש. 

אבל למה לחתוך בכלל? דמיינו אילו ניתן היה לכוון ולנווט (באמצעות שדה מגנטי למשל) רובוט זעיר ישירות בתוך הדם שלנו, ולבצע פעולה רפואית במיקום מדויק. לא בכדי עבודה בתחום זה [5] הוכתרה כפריצת הדרך המדעית של שנת 2020 בוועידת Falling Walls היוקרתית.

האם כשאתם שומעים בפעם הראשונה "רובוט רך", קופצת לראשכם התמונה מהסרט המצויר Big Hero 6 (בתמונה הראשית), על רובוט מתנפח לטיפול בבני אדם? אגב, דמות הרובוט שימשה כפוסטר הרשמי של הכנס הבין-לאומי הראשון לרובוטיקה רכה. היות שכל התכונות הנ"ל מתאימות מאוד לאינטראקציה עם בני אדם, היינו מצפים לראות יותר מטכנולוגיה זו בסביבתנו, אך הינה הקאץ': שפעול תנועה רצויה ומתוכננת ברובוטים רכים, בניגוד לאחיהם ה"מסורתיים", הוא בעיה מורכבת.

תחילה יש לשזור במהלך הייצור בגוף הפולימרי שיטת הנעה כלשהי – רשתות מלאות זורמים או חומרים חכמים המגיבים לחום, שדה חשמלי או שדה מגנטי. הנעה באמצעות זורמים היא נפוצה יחסית: בשיטה זו הגוף הפולימרי מיוצר מראש עם רשת חללים או תעלות המלאות בזורם – אוויר (לרוב) או נוזל. כאשר מעלים את לחץ הזורם, החללים מתנפחים ומעוותים את כל גוף הרובוט. באופן דומה, החומרים החכמים מוטמעים בגוף הרך, ומייצרים עיוות תחת זרם חשמלי או מגנטי. דוגמה מעניינת לכך היא רובוטי האוריגמי המקפלים את עצמם, שעליהם כתבנו כאן [6].

מייד צצות שתי בעיות. האחת - כיצד לתכנן ולשלב בגוף הרובוט את מנגנון השפעול (בין אם חשמלי, הידראולי או אחר) ולבסוף גם לבקר מנגנון כזה, כדי לייצר בפולימר אלסטי תנועה רצויה בצורה מדויקת מספיק. הבעיה השנייה היא שכל מנגנוני השפעול הללו דורשים מקורות חיצוניים מסורבלים וגדולים יחסית, שאינם גמישים – מדחסי אוויר, מייצרי שדה מגנטי חזק או ספקי זרם חשמלי. רוב הרובוטים הגמישים כיום מחוברים בכבל (tether) למקור כוח או לחץ והם אינם עצמאיים לחלוטין. חיסרון זה עשוי לפגוע בחלק מהיישומים שהצגנו פה.

ייתכן כי עם הבשלת התחום – כלי התכנון, השפעול, הייצור והבקרה של רובוטים רכים – נראה אותם משתלבים בתחומים נוספים ואף בסביבתנו היום-יומית; אך ייתכן שלעד יישארו מחוברים לרכיבים קשיחים חיצוניים. כך או כך, מעניין לראות כיצד מגמת החדשנות בעולם זה מגיעה דווקא משינוי של ממש בצורת הרובוטים ובחומרים מהם הם עשויים.

ליווי מדעי: ולרי פרומקין

עריכה: גליה הלוי שדה

מקורות והרחבות:

[1] כתבה על יישומים של תפסניות רכות

[2] רובוט רך המשיך לעבוד לאחר שנדרס על ידי רכב - סרטון

[3] רובוט בעל תכונת "ריפוי" עצמי

[4] סקר יישומים של רובוטים רכים לניתוחי פולשנות מינימלית

[5] רובוטים שוחים זעירים שניתנים לכיוון על ידי שדה מגנטי

[6] רובוט אוריגמי