Где обещанные нам роботы-помощники?
Несмотря на все пространство, которое роботы занимали в воображении людей за последние сто лет — и хотя количество реальных автоматов росло десятилетиями, — взаимодействие большинства людей с ними по-прежнему ограничивается вакуумом без помощи рук или детским умными игрушками.
По словам Гленна Гарретта, технического директора дочерней компании NASA, Amorphology Inc., этому есть две основные причины: стоимость и безопасность. Большая часть автоматизированного оборудования по-прежнему доступна только крупным производителям, которые могут сделать крупные инвестиции и рассчитывать на долгосрочную экономию. И хотя роботы занимают все больше и больше производственных площадей, они, как правило, изолированы от своих коллег-людей из соображений безопасности — в значительной степени не обращая внимания на свое окружение, они сильны и опасно неуклюжи.
В середине 1990-х два профессора Северо-Западного университета запатентовали альтернативную концепцию под новым термином: коботы. Совместные роботы, разработанные для взаимодействия с людьми, будут меньше, умнее, более отзывчивыми и более осведомленными, с более жестким самоконтролем и лучшими манерами. За прошедшие с тех пор годы скачки в области искусственного интеллекта и сенсоров сделали этих «более дружелюбных» роботов реальностью, но их стоимость все еще не позволяет их широко внедрить.
«Вот куда идет индустрия робототехники», — сказал Гарретт, отметив, что, например, несколько коботов уже делают латте и бутерброды. «Но если он стоит 40 000 долларов, он недоступен для непромышленных приложений».
Однако самые дорогостоящие факторы не всегда связаны с передовым программным обеспечением и датчиками. Вместо этого, по его словам, все сводится к самым элементарным компонентам машин: зубчатым колесам. «Высокоточные зубчатые передачи составляют как минимум половину стоимости роботизированных систем».
Шестерня с деформационной волной преобразует быстрое вращение двигателя с низким крутящим моментом в медленное, точное и мощное движение. По мере того как генератор продолговатой волны в центре вращается, он деформирует гибкий контур вокруг себя, показанный красным, который входит в зацепление с зубцами фиксированного внешнего шлица. Взаимодействие заставляет гибкий шлейф вращаться в направлении, противоположном волновому генератору, перемещая только два зубца на каждый оборот двигателя. Предоставлено: Джахобр, CC0 1.0.
Теперь компания Amorphology из Пасадены, штат Калифорния, надеется снизить цены на коботов за счет усовершенствований, изначально разработанных для роботов, которые никогда не предназначались для взаимодействия с людьми, — планетарных вездеходов NASA.
Роверы адаптируются к марсианскому климату
Шестерни марсоходов NASA, как и большинство шестеренок на Земле, сделаны из стали, которая отличается прочностью и износостойкостью. Но стальные шестерни нуждаются в жидкой смазке, а масла плохо работают в холодных условиях, таких как поверхность Луны или Марса. Так, марсоход NASA Curiosity, например, тратит около трех часов на нагревание смазки каждый раз, когда он готовится к запуску, используя около четверти дискреционной энергии, которая в противном случае могла бы быть использована для науки, — сказал Дуг Хофманн, главный научный сотрудник отдела материаловедения. Группа разработки и производства в Лаборатории реактивного движения NASA в Южной Калифорнии. «Так что это действительно расстраивает. Было бы здорово, если бы эти шестерни могли просто включиться и поехать ».
Стремясь решить эту и другие проблемы, связанные с материалами, в 2010 году JPL наняла Хофманна, в то время научного сотрудника Калифорнийского технологического института с опытом работы в области материаловедения и инженерии. NASA профинансировало новое металлургическое предприятие в Лаборатории реактивного движения, чтобы изучить альтернативы зубчатым колесам и разработать новые металлические сплавы.
Еще со времен работы в Калифорнийском технологическом институте, который управляет JPL, Хофманн был знаком с новым классом специально разработанных материалов, называемых объемным металлическим стеклом, также известным как аморфные металлы. Это металлические сплавы, которые можно быстро охладить из жидкого состояния в твердое до того, как их атомы сформируют структуру кристаллической решетки, общую для всех других металлов. Вместо этого атомы расположены случайным образом, как у стекла, что придает материалам свойства как стекла, так и металла.
В зависимости от составляющих их элементов — часто включая цирконий, титан и медь — они могут быть очень прочными, а поскольку они не кристаллические, они эластичны. Большинство композиций также образуют твердую гладкую поверхность из оксида керамики, пояснил Хофманн, отметив, что вместе эти свойства обеспечивают шестерням из некоторых аморфных металлов длительный срок службы без смазки. «Это, конечно, очень важно для NASA, потому что вы можете управлять своими коробками передач, не смазывая их».
Кроме того, JPL стремится использовать массивные металлические стеклянные шестерни для работы при температурах ниже минус 290 градусов по Фаренгейту без использования источника тепла.
Литье для недорогих деталей роботов
Но у аморфных металлов есть еще одно свойство, которое делает их привлекательными для зубчатых колес на Земле: «Эти сплавы разработаны с учетом низких температур плавления, потому что для изготовления металлического стекла необходимо охладить сплав быстрее, чем он может кристаллизоваться», — сказал Хофманн. Эта низкая температура плавления вместе с их собственной прочностью и тем фактом, что их объем практически не изменяется при затвердевании, делает объемные металлические стекла легкими в использовании при литье под давлением, что может значительно снизить стоимость изготовления таких деталей, как шестерни.
Большинство высокопрочных металлов имеют высокие температуры плавления. Их нельзя отливать с помощью форм, потому что в расплавленном виде они просто расплавят форму. А сталь нужно прокатывать или ковать для ее усиления, что также исключает формование. Итак, шестерни обычно начинаются как стальные заготовки, которые «обрабатываются» — режутся, шлифуются, фрезеруются и просверливаются — до их окончательной формы. Крошечные шестеренки, например, для маленьких коботов, особенно сложны и дороги.
Самый сложный и дорогой компонент шестерни для обработки из стального блока — один из самых распространенных в роботизированных манипуляторах: flexspline, чрезвычайно тонкостенная, гибкая чашка с зубчатым ободом. Это центральный элемент так называемого узла зубчатой передачи с волновой деформацией, который обеспечивает лучшую точность, более высокий крутящий момент и меньший люфт, чем другие зубчатые передачи. Это исключает ошибки позиционирования, которые могут возникнуть в роботизированной конечности с несколькими суставами.
«Это очень странно выглядящее устройство, если вы никогда его не видели, но это сердце и душа высокоточного робота», — сказал Хофманн.
По словам Хофманна, именно здесь формование из аморфных металлов обещает наибольшую экономию: оно стоит примерно вдвое дешевле, чем обработка стальных зубчатых колес с волной деформации.
Формование небольших высокопроизводительных планетарных шестерен и зубчатых передач с деформационной волной стало основным бизнес-планом компании Amorphology, которую Хофманн соучредил в 2014 году. Через Caltech компания получила лицензию на несколько патентов на технологию, которую он разработал для НАСА.
Тем временем он и его коллеги продолжали поиск новых материалов для космических кораблей как в металлургической лаборатории, так и в Центре аддитивного производства JPL. Ряд патентов и технологий привели Хофманна к созданию второй дочерней компании, специализирующейся на использовании аморфных металлов в покрытиях, 3D-печати и других приложениях, не связанных с зубчатыми передачами. Оба были поддержаны одной и той же группой венчурного капитала, и в 2020 году они объединились под названием Amorphology, объединив около 30 патентов и патентных заявок на технологию от JPL.
Рынок за пределами Марса
В том же году объединенная компания завершила свой переезд в новое производственное предприятие площадью 13 000 квадратных футов, где сейчас работают около 15 человек, в основном изготавливающих и тестирующих образцы деталей для малых зубчатых передач для нескольких клиентов. Первым и крупнейшим заказчиком Amorphology является один из ведущих мировых производителей зубчатых передач с волновой деформацией.
По крайней мере, еще один клиент нанял компанию для покрытия деталей бытовой электроники металлическим стеклом, что сделало их более долговечными, что указывает на другой рынок с непосредственным потенциалом, сказал Стивен Чепленски, директор по развитию Amorphology.
Хофманн отметил, что шестерни, которые могут работать без смазки, также представляют интерес для таких предприятий, как производство продуктов питания, где смазочные материалы могут стать загрязнителями.
Между тем, многие другие патенты компании на технологию JPL — все они лицензированы Калтехом — вероятно, еще далеки от коммерциализации, хотя они относятся к областям, вызывающим большой интерес. Среди них — новые сплавы и передовые технологии 3D-печати металлов, от аддитивного производства термическим напылением до ультразвуковой сварки.
Amorphology — не первая компания, которая коммерциализирует инновации в области объемного металлического стекла от JPL и Caltech, но Гарретт отметил, что создание стартапа на основе новых материалов, как известно, является сложной задачей. Если шестерни, не требующие смазки, или недорогие гибкие шланги найдут долгосрочный рынок сбыта, «это станет огромным шагом на пути к устойчивому коммерческому успеху объемного металлического стекла», — сказал он. «Прямую ответственность за это будут нести исследования марсоходов».
НАСА имеет долгую историю передачи технологий частному сектору . Публикация агентства Spinoff описывает технологии НАСА, которые превратились в коммерческие продукты и услуги, демонстрируя более широкие выгоды от инвестиций Америки в ее космическую программу. Spinoff — это публикация программы передачи технологий Управления космических технологий НАСА.
Для получения дополнительной информации о том, как НАСА внедряет космические технологии на Землю, посетите:
Будьте в курсе в удобном формате, присоединяйтесь: TG-канал и ВК