توسعه فناوری جدید رباتیک برای کاهش ۹۰٪ مصرف انرژی و کاهش هزینه‌های تولید

توسعه فناوری جدید رباتیک برای کاهش ۹۰٪ مصرف انرژی و کاهش هزینه‌های تولید

محققان دانشگاه زارلند در حال توسعه نسل جدیدی از فناوری رباتیک هستند که در مقایسه با سیستم‌های موجود ۹۰٪ انرژی کمتری مصرف می‌کند. این فناوری از مواد حافظه‌دار سبک برای ساخت سیستم‌های گریپر (چنگک) صنعتی غیرپنوماتیک استفاده می‌کند که بدون نیاز به حسگرهای اضافی کار می‌کنند. تیم تحقیقاتی به سرپرستی پروفسور اشتفان زله‌که و پروفسور پاول موتزکی این فناوری را در نمایشگاه هانوفر مسه ۲۰۲۵ ارائه خواهند کرد.

ربات‌های صنعتی در بسیاری از خطوط تولید مدرن مورد استفاده قرار می‌گیرند و وظایفی مانند نگه‌داشتن قطعات، مونتاژ بردهای مدار چاپی، جابجایی و بارگیری قطعات را انجام می‌دهند. با این حال، بیشتر این سیستم‌ها به‌طور مداوم انرژی مصرف می‌کنند که منجر به افزایش هزینه‌های تولید و تأثیرات منفی زیست‌محیطی می‌شود.

بسیاری از گریپرهای صنعتی بر پایه سیستم‌های پنوماتیک (هوای فشرده) کار می‌کنند که علاوه بر تولید سر و صدای زیاد، سنگین و پرمصرف بوده و با گذر زمان دچار فرسودگی مکانیکی می‌شوند. علاوه بر این، انعطاف‌پذیری کم و دشواری در تغییر برنامه‌های حرکتی از دیگر محدودیت‌های این سیستم‌هاست.

اما فناوری جدید دانشگاه زارلند، مبتنی بر آلیاژهای حافظه‌دار (SMA)، می‌تواند ربات‌های صنعتی آینده را سبک‌تر، جمع‌وجورتر، انعطاف‌پذیرتر و کم‌مصرف‌تر کند.

پروفسور موتزکی: “تحقیقات ما می‌تواند مصرف انرژی را به میزان قابل توجهی کاهش دهد و به کاهش هزینه‌های تولید و حفاظت از محیط‌زیست کمک کند.”

تیم تحقیقاتی در نمایشگاه هانوفر مسه نمونه‌هایی از گریپرهای مکش و فکی را معرفی خواهد کرد که می‌توانند بدون تأمین مداوم انرژی، قطعات را نگه‌داشته و جابجا کنند.

موتزکی توضیح می‌دهد:

“ما می‌توانیم این سیستم‌های گریپر را در زمان واقعی کنترل کنیم؛ تنها کافی است یک پالس کوتاه جریان الکتریکی اعمال کنیم.”

مکانیزم عملکرد گریپرهای هوشمند

گریپرهای توسعه‌یافته در زاربروکن کاملاً الکتریکی هستند و از دسته‌هایی از سیم‌های فوق‌العاده نازک نیکل-تیتانیوم ساخته شده‌اند. این سیم‌ها نه‌تنها نقش ماهیچه‌های قدرتمند را دارند، بلکه مانند فیبرهای عصبی عمل می‌کنند.

ویژگی خاص آلیاژ نیکل-تیتانیوم این است که می‌تواند بین دو ساختار بلوری مختلف تغییر حالت دهد. هنگامی که جریان الکتریکی از این سیم‌ها عبور می‌کند، ماده گرم شده، ساختار بلوری آن تغییر کرده و باعث کوتاه شدن سیم می‌شود. با قطع جریان، سیم به طول اولیه خود بازمی‌گردد.

به دلیل این خاصیت، این سیم‌ها نیروهای بسیار بزرگی را اعمال کرده و حرکات ریز و کنترل‌شده‌ای را در مکانیزم‌های متصل به خود ایجاد می‌کنند.

“نیکل-تیتانیوم دارای بالاترین چگالی انرژی در میان تمام مکانیزم‌های محرک شناخته‌شده است.”

یک سیم با ضخامت ۰.۵ میلی‌متر قادر به اعمال نیرویی معادل ۱۰۰ نیوتن (تقریباً برابر با وزن ۱۰ کیلوگرم) است. اما تیم تحقیقاتی از دسته‌هایی از سیم‌های فوق‌العاده نازک‌تر استفاده می‌کند که به دلیل سطح بیشتر، سرعت خنک شدن بالاتری دارند. این امر امکان ایجاد حرکات سریع و پایداری نیرو را فراهم می‌کند.

“ربات‌های صنعتی آینده، سبک‌تر، سریع‌تر و بهینه‌تر خواهند بود.”

محققان زاربروکن در این زمینه رکورد جهانی را ثبت کرده‌اند:

“با استفاده از ۲۰ سیم فوق‌نازک به قطر ۰.۰۲۵ میلی‌متر، می‌توان نیرویی ۵ نیوتنی را با فرکانس ۲۰۰ هرتز (۲۰۰ چرخه در ثانیه) اعمال کرد.”

با استفاده از روش‌های نوآورانه کنترل و طراحی، این تیم تحقیقاتی در حال توسعه محرک‌هایی است که از سیم‌های SMA برای ساخت ربات‌های صنعتی سبک، منعطف و سازگار با محیط‌های خاص (مانند اتاق‌های تمیز) استفاده می‌کنند.

“فناوری گریپرهای جدید، دقت بالا و کاهش چشمگیر مصرف انرژی را به همراه دارد.”

برخلاف گریپرهای سنتی که وابسته به حسگرهای خارجی هستند، این فناوری به دلیل ویژگی خودحس‌گری سیم‌های SMA، نیاز به حسگرهای اضافی را از بین می‌برد. یک تراشه نیمه‌هادی، سیستم را کنترل می‌کند.

موتزکی توضیح می‌دهد:

“سیم‌های حافظه‌دار عملاً مانند حسگرهای کاملاً یکپارچه عمل کرده و تمام داده‌های مورد نیاز را در اختیار ما قرار می‌دهند. یک سیستم هوش مصنوعی، مقادیر مقاومت الکتریکی را با تغییرات مکانیکی سیم‌ها تطبیق داده و موقعیت دقیق آن‌ها را مشخص می‌کند.”

“برنامه‌ریزی مجدد سیستم ما بسیار آسان است و می‌توان آن را حتی در حین کار تغییر داد.”

نمونه‌ی اولیه گریپر فکی که برای کاربردهای صنعتی توسعه داده شده، با سرعت بالا و دقت زیاد کار می‌کند و می‌تواند قطعات را با نیروی ۴ نیوتن محکم نگه دارد. این فناوری قابل تنظیم در اندازه، قدرت و نوع حرکت است.

نمونه‌ی دیگر، گریپر مکشی است که دارای انگشت‌های انعطاف‌پذیر با پدهای مکشی است. تنها یک پالس الکتریکی کوتاه برای ایجاد مکش و نگه داشتن اجسام کافی است.

موتزکی می‌گوید:

“سیستم ما دارای ویژگی خودحس‌گری است، بنابراین گریپر می‌داند که آیا مکش ایجاد شده برای نگه داشتن قطعه کافی است یا خیر.”

با توجه به عملکرد بدون نیاز به تأمین مداوم انرژی، این فناوری می‌تواند بیش از ۹۰٪ انرژی کمتری نسبت به گریپرهای پنوماتیک سنتی مصرف کند.

نتیجه‌گیری

توسعه گریپرهای هوشمند و کم‌مصرف توسط دانشگاه زارلند، گامی مهم در مسیر بهینه‌سازی تولید صنعتی، کاهش هزینه‌ها و حفظ محیط‌زیست است. با معرفی این فناوری در نمایشگاه هانوفر مسه ۲۰۲۵، انتظار می‌رود این نوآوری تأثیر قابل‌توجهی بر آینده‌ی رباتیک صنعتی و اتوماسیون هوشمند داشته باشد.