تطبيق مادة البولي يوريثين الحراري في الروبوتات الشبيهة بالبشر

مادة البولي يوريثان الحرارية (TPU)يتمتع هذا النوع من المواد بخصائص استثنائية، مثل المرونة، والمطاطية، ومقاومة التآكل، مما يجعله واسع الاستخدام في المكونات الرئيسية للروبوتات الشبيهة بالبشر، كالأغطية الخارجية، والأيدي الروبوتية، والمستشعرات اللمسية. فيما يلي مواد باللغة الإنجليزية مُفصّلة، مُستقاة من أوراق بحثية أكاديمية وتقارير فنية موثوقة: 1. **تصميم وتطوير يد روبوتية شبيهة بالبشر باستخداممادة TPU**ملخص**: تُقدم هذه الورقة البحثية مناهج لحل تعقيدات تصميم يد روبوتية بشرية الشكل. يُعد علم الروبوتات اليوم من أكثر المجالات تطورًا، ولطالما كان هناك توجه نحو محاكاة الحركة والسلوك البشري. تُعد اليد البشرية الشكل إحدى هذه المناهج. في هذه الورقة، تم شرح فكرة تطوير يد بشرية الشكل ذات 15 درجة حرية و5 محركات، بالإضافة إلى مناقشة التصميم الميكانيكي ونظام التحكم والمكونات وخصائص اليد الروبوتية. تتميز اليد بمظهر بشري الشكل، كما أنها قادرة على أداء وظائف بشرية، مثل الإمساك وتمثيل إيماءات اليد. تُظهر النتائج أن اليد مصممة كوحدة واحدة ولا تحتاج إلى أي نوع من التجميع، كما أنها تتمتع بقدرة ممتازة على رفع الأوزان الثقيلة، نظرًا لأنها مصنوعة من مادة البولي يوريثين الحراري المرن.مادة (TPU)كما تضمن مرونتها سلامة اليد عند التفاعل مع البشر. يمكن استخدام هذه اليد في الروبوتات الشبيهة بالبشر وكذلك في الأطراف الاصطناعية. يساهم العدد المحدود للمحركات في تبسيط التحكم وتخفيف وزن اليد. 2. **تعديل سطح البولي يوريثان الحراري لإنشاء ماسك روبوتي مرن باستخدام طريقة الطباعة رباعية الأبعاد** > يُعدّ إنشاء هياكل مطبوعة رباعية الأبعاد (4D) للإمساك الروبوتي المرن أحد مسارات تطوير التصنيع الإضافي الوظيفي المتدرج، وذلك من خلال الجمع بين الطباعة ثلاثية الأبعاد بتقنية الترسيب المنصهر ومحركات الهيدروجيل المرنة. يقترح هذا العمل نهجًا مفاهيميًا لإنشاء ماسك روبوتي مرن مستقل عن الطاقة، يتكون من ركيزة حاملة مطبوعة ثلاثية الأبعاد معدلة مصنوعة من البولي يوريثان الحراري (TPU) ومحرك يعتمد على هيدروجيل الجيلاتين، مما يسمح بتشوه استرطابي مبرمج دون استخدام هياكل ميكانيكية معقدة. يُضفي استخدام هيدروجيل قائم على الجيلاتين بنسبة 20% وظائفَ محاكاةً حيويةً للروبوتات اللينة على الهيكل، وهو المسؤول عن الوظائف الميكانيكية الذكية المُستجيبة للمؤثرات الخارجية للجسم المطبوع، وذلك من خلال استجابته لعمليات التورم في البيئات السائلة. ويُسهّل التوظيف الوظيفي المُوجّه لسطح البولي يوريثان الحراري في بيئة من الأرجون والأكسجين لمدة 90 ثانية، عند قدرة 100 واط وضغط 26.7 باسكال، تغييرات في تضاريسه الدقيقة، مما يُحسّن التصاق الجيلاتين المتورم واستقراره على سطحه. ويمكن للمفهوم المُطبّق لإنشاء هياكل مشطية متوافقة حيوياً مطبوعة بتقنية الطباعة رباعية الأبعاد، والمُخصصة للإمساك الروبوتي اللين تحت الماء، أن يُوفّر إمساكاً موضعياً غير جراحي، ونقل الأجسام الصغيرة، وإطلاق مواد فعّالة بيولوجياً عند التورم في الماء. وبالتالي، يُمكن استخدام المنتج الناتج كمحرك محاكاة حيوية ذاتي التغذية، أو نظام تغليف، أو في مجال الروبوتات اللينة. 3. **توصيف الأجزاء الخارجية لذراع روبوت بشري مطبوع بتقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد بأنماط وسماكات مختلفة** > مع تطور الروبوتات البشرية، تزداد الحاجة إلى أسطح خارجية أكثر مرونة لتحسين التفاعل بين الإنسان والروبوت. تُعدّ الهياكل المساعدة في المواد الفائقة طريقة واعدة لإنشاء أسطح خارجية مرنة، إذ تتميز هذه الهياكل بخصائص ميكانيكية فريدة. تُستخدم الطباعة ثلاثية الأبعاد، وخاصةً تقنية تصنيع الخيوط المنصهرة (FFF)، على نطاق واسع لإنشاء مثل هذه الهياكل. يُستخدم البولي يوريثان الحراري (TPU) بشكل شائع في تقنية FFF نظرًا لمرونته العالية. تهدف هذه الدراسة إلى تطوير غطاء خارجي مرن للروبوت البشري أليس 3 باستخدام الطباعة ثلاثية الأبعاد بتقنية FFF مع خيوط TPU بصلابة 95A. > > استخدمت الدراسة خيوط TPU بيضاء مع طابعة ثلاثية الأبعاد لتصنيع أذرع روبوت بشري مطبوعة بتقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد. قُسّم ذراع الروبوت إلى جزأين: الساعد والذراع العلوي. طُبّقت أنماط مختلفة (صلبة ومقعرة) وسماكات مختلفة (1 و2 و4 مم) على العينات. بعد الطباعة، أُجريت اختبارات الانحناء والشد والضغط لتحليل الخصائص الميكانيكية. أكدت النتائج أن الهيكل ذو الفتحة الداخلية قابل للانحناء بسهولة باتجاه منحنى الانحناء ويتطلب إجهادًا أقل. في اختبارات الضغط، كان الهيكل ذو الفتحة الداخلية قادرًا على تحمل الحمل مقارنةً بالهيكل الصلب. بعد تحليل السماكات الثلاث، تأكد أن الهيكل ذو الفتحة الداخلية بسماكة 2 مم يتمتع بخصائص ممتازة من حيث الانحناء والشد والضغط. لذلك، يُعدّ النمط ذو الفتحة الداخلية بسماكة 2 مم أكثر ملاءمة لتصنيع ذراع روبوت بشري مطبوع بتقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد. 4. **وسادات TPU "الناعمة" المطبوعة ثلاثية الأبعاد تمنح الروبوتات حاسة لمس منخفضة التكلفة وعالية الحساسية** > توصل باحثون من جامعة إلينوي في أوربانا-شامبين إلى طريقة منخفضة التكلفة لمنح الروبوتات حاسة لمس شبيهة بحاسة اللمس البشرية: وسادات ناعمة مطبوعة ثلاثية الأبعاد تعمل أيضًا كمستشعرات ضغط ميكانيكية. تحتوي المستشعرات الروبوتية اللمسية عادةً على مصفوفات إلكترونية معقدة للغاية وتكون باهظة الثمن، لكننا أثبتنا إمكانية تصنيع بدائل عملية ومتينة بتكلفة زهيدة. علاوة على ذلك، وبما أن الأمر لا يتعدى إعادة برمجة طابعة ثلاثية الأبعاد، يمكن تخصيص التقنية نفسها بسهولة لأنظمة روبوتية مختلفة. قد تنطوي الأجهزة الروبوتية على قوى وعزوم دوران كبيرة، لذا يجب أن تكون آمنة تمامًا إذا كانت ستتفاعل مباشرةً مع البشر أو ستُستخدم في بيئات بشرية. من المتوقع أن يلعب الجلد الناعم دورًا مهمًا في هذا الصدد، حيث يمكن استخدامه لضمان السلامة الميكانيكية والاستشعار اللمسي. صُنع مستشعر الفريق باستخدام وسادات مطبوعة من مادة البولي يوريثين الحراري (TPU) على طابعة Raise3D E2 ثلاثية الأبعاد الجاهزة. تغطي الطبقة الخارجية المرنة قسمًا داخليًا مجوفًا، وعند ضغط هذه الطبقة، يتغير ضغط الهواء داخلها تبعًا لذلك، مما يسمح لمستشعر الضغط Honeywell ABP DANT 005 المتصل بوحدة تحكم دقيقة Teensy 4.0 باكتشاف الاهتزاز واللمس وزيادة الضغط. تخيل أنك تريد استخدام روبوتات ذات غلاف مرن للمساعدة في بيئة المستشفى. ستحتاج هذه الروبوتات إلى تعقيم منتظم، أو استبدال غلافها بانتظام. في كلتا الحالتين، ستكون التكلفة باهظة. مع ذلك، تُعد الطباعة ثلاثية الأبعاد عملية قابلة للتطوير على نطاق واسع، لذا يمكن تصنيع أجزاء قابلة للتبديل بتكلفة منخفضة وتركيبها وإزالتها بسهولة من جسم الروبوت. 5. **التصنيع الإضافي لشبكات TPU الهوائية كمحركات روبوتية مرنة** > في هذه الورقة، تم بحث التصنيع الإضافي (AM) لمادة البولي يوريثين الحراري (TPU) في سياق استخدامها كمكونات روبوتية مرنة. بالمقارنة مع مواد التصنيع الإضافي المرنة الأخرى، يُظهر TPU خصائص ميكانيكية فائقة فيما يتعلق بالقوة والإجهاد. باستخدام تقنية التلبيد الانتقائي بالليزر، تُطبع مشغلات الانحناء الهوائية (الشبكات الهوائية) ثلاثية الأبعاد كدراسة حالة للروبوتات المرنة، ويتم تقييمها تجريبيًا فيما يتعلق بانحرافها تحت الضغط الداخلي. ويُلاحظ التسرب الناتج عن إحكام الهواء كدالة لأدنى سُمك لجدار المشغلات. لوصف سلوك الروبوتات المرنة، يلزم دمج أوصاف المواد فائقة المرونة في نماذج التشوه الهندسي، والتي قد تكون - على سبيل المثال - تحليلية أو عددية. تدرس هذه الورقة نماذج مختلفة لوصف سلوك انحناء مشغل روبوتي مرن. تُطبق اختبارات المواد الميكانيكية لضبط معلمات نموذج مادة فائقة المرونة لوصف البولي يوريثان الحراري المصنّع بالإضافة. يتم ضبط معلمات محاكاة عددية قائمة على طريقة العناصر المحدودة لوصف تشوه المشغل ومقارنتها بنموذج تحليلي نُشر مؤخرًا لمثل هذا المشغل. تُقارن تنبؤات كلا النموذجين بالنتائج التجريبية للمشغل الروبوتي المرن. بينما يحقق النموذج التحليلي انحرافات أكبر، تتنبأ المحاكاة العددية بزاوية الانحناء بانحرافات متوسطة تبلغ 9 درجات، على الرغم من أن المحاكاة العددية تستغرق وقتًا أطول بكثير لإجراء الحسابات. في بيئة إنتاج مؤتمتة، يمكن للروبوتات المرنة أن تُكمّل تحويل أنظمة الإنتاج الجامدة نحو تصنيع مرن وذكي.