Robotlar, Yapacak İşleri Bitmeden Çok Önce Enerjileri Tükenir

    En iyi piller bile enerji depolama için hayvan metabolizmasının çok gerisinde kalır. Robotları 'yiyecek' ile beslemek boşluğu daraltabilir. 

    Bu yılın başlarında, bir robot Pekin'de bir yarı maratonu 2 saat 40 dakikadan biraz daha kısa bir sürede tamamladı. Bu, bir saatten biraz fazla süren insan kazanandan daha yavaş - ama yine de dikkate değer bir başarı. Birçok eğlence koşucusu o zamandan gurur duyardı. Robot, hızını 13 milden ( 21 kilometre ) fazla korudu. 

    Ancak bunu tek bir şarjla yapmadı. Yol boyunca robotun durması ve pillerinin üç kez değiştirilmesi gerekti. Bu ayrıntı, gözden kaçması kolay olsa da, robotikte daha derin bir zorluk hakkında çok şey söylüyor: enerji. 

    Modern robotlar inanılmaz bir çeviklikle hareket edebilir, hayvan hareketini taklit edebilir ve karmaşık görevleri mekanik hassasiyetle yerine getirebilir. Birçok yönden, koordinasyon ve verimlilik açısından biyolojiye rakip olurlar. Ancak dayanıklılık söz konusu olduğunda, robotlar hala yetersiz kalıyor. Efordan yorulmazlar - sadece güçleri tükenir. 

    Enerji sistemlerine odaklanan bir robotik araştırmacısı olarak, bu zorluğu yakından inceliyorum. Araştırmacılar robotlara canlıların dayanma gücünü nasıl verebilir ve neden hala bu hedeften bu kadar uzağız? Enerji sorunuyla ilgili çoğu robotik araştırma daha iyi pillere odaklanmış olsa da, başka bir olasılık daha var: Yemek yiyen robotlar inşa edin. 

Robotlar iyi hareket ediyor ama enerjileri tükeniyor

    Modern robotlar hareket etmede oldukça iyidir. Biyomekanik, motor kontrol ve çalıştırma alanlarında onlarca yıllık araştırmalar sayesinde, Boston Dynamics'in Spot ve Atlas gibi makineler, bir zamanlar ulaşılmaz görünen bir çeviklikle yürüyebilir, koşabilir ve tırmanabilir. Bazı durumlarda, motorları hayvan kaslarından bile daha verimlidir. 

    Ancak dayanıklılık başka bir konudur. Örneğin Spot, tam şarjla yalnızca 90 dakika çalışabilir. Bundan sonra, yeniden şarj olması yaklaşık bir saat sürer. Bu çalışma süreleri, insan işçilerden beklenen sekiz ila 12 saatlik vardiyalardan veya kızak köpeklerinin çok günlük dayanıklılığından çok uzaktır. 

    Mesele robotların nasıl hareket ettiği değil, enerjiyi nasıl depoladıklarıdır. Günümüzde çoğu mobil robot, akıllı telefonlarda ve elektrikli arabalarda bulunan aynı tür lityum iyon piller kullanıyor. Bu piller güvenilirdir ve yaygın olarak bulunur, ancak performansları yavaş bir hızda artar: Her yıl yeni lityum iyon piller önceki nesle göre yaklaşık %7 daha iyidir. Bu oranda, bir robotun çalışma süresini sadece iki katına çıkarmak tam on yıl alacaktır. 

    Hayvanlar, olağanüstü derecede enerji yoğun olan yağda enerji depolar: kilogram başına yaklaşık 9 kilovat saat. Bu, tam şarjlı bir Tesla Model 3'teki enerjiye benzer şekilde, bir kızak köpeğinde toplam yaklaşık 68 kWh'dir. Lityum-iyon piller, aksine, bunun sadece bir kısmını, kilogram başına yaklaşık 0,25 kilovat saat depolar. Yüksek verimli motorlarla bile, Spot gibi bir robot, bir kızak köpeğinin dayanıklılığına uymak için bugünkünden onlarca kat daha güçlü bir pile ihtiyaç duyacaktır. 

    Ve şarj etmek her zaman bir seçenek değildir. Felaket bölgelerinde, uzak tarlalarda veya uzun süreli görevlerde, bir duvar prizi veya yedek pil hiçbir yerde görünmeyebilir. 

    Bazı durumlarda, robot tasarımcıları daha fazla pil ekleyebilir. Ancak daha fazla pil, daha fazla ağırlık anlamına gelir ve bu da hareket etmek için gereken enerjiyi artırır. Son derece mobil robotlarda taşıma kapasitesi, performans ve dayanıklılık arasında dikkatli bir denge vardır. Örneğin Spot için pil zaten ağırlığının %16'sını oluşturuyor. 

    Bazı robotlar güneş panelleri kullanmıştır ve teoride bunlar, özellikle düşük güçlü görevler veya parlak, güneşli ortamlarda çalışma süresini uzatabilir. Ancak pratikte, güneş enerjisi, mobil robotların pratik hızlarda yürümek, koşmak veya uçmak için ihtiyaç duyduklarına göre çok az güç sağlar. Bu nedenle, güneş panelleri gibi enerji hasadı, günümüzde sabit veya ultra düşük güçlü robotlar için daha uygun olan niş bir çözüm olmaya devam ediyor. 

Neden önemli? 

    Bunlar sadece teknik sınırlamalar değil. Robotların neler yapabileceğini tanımlarlar. 

    45 dakikalık bir pile sahip bir kurtarma robotu, bir aramayı tamamlamak için yeterince uzun süre dayanmayabilir. Her saat başı yeniden şarj olmak için duraklayan bir çiftlik robotu, mahsulleri zamanında hasat edemez. Depolarda veya hastanelerde bile kısa çalışma süreleri karmaşıklık ve maliyet ekler. 

    Robotlar toplumda yaşlılara yardım etme, tehlikeli ortamları keşfetme ve insanlarla birlikte çalışma konusunda anlamlı roller oynayacaklarsa, dakikalarca değil saatlerce aktif kalmak için dayanıklılığa ihtiyaçları var. 

    Lityum-sülfür ve metal-hava gibi yeni pil kimyaları, ileriye dönük daha umut verici bir yol sunuyor. Bu sistemler, günümüzün lityum iyon hücrelerinden çok daha yüksek teorik enerji yoğunluklarına sahiptir. Hayvansal yağlarda görülen bazı yaklaşım seviyeleri. Aküden gelen elektrik enerjisini mekanik işe verimli bir şekilde dönüştüren aktüatörlerle eşleştirildiğinde, robotların düşük vücut yağına sahip hayvanların dayanıklılığına uymasını ve hatta aşmasını sağlayabilirler. Ancak bu yeni nesil pillerin bile sınırlamaları var. Birçoğunun yeniden şarj edilmesi, zamanla bozulması veya gerçek dünya sistemlerinde mühendislik engelleriyle karşılaşması zordur. 

    Hızlı şarj, arıza süresini azaltmaya yardımcı olabilir. Ortaya çıkan bazı piller saatler yerine dakikalar içinde şarj olabilir. Ancak değiş tokuşlar var. Hızlı şarj, pil ömrünü zorlar, ısıyı artırır ve genellikle ağır, yüksek güçlü şarj altyapısı gerektirir. İyileştirmelere rağmen, hızlı şarj olan bir robotun hala sık sık durması gerekiyor. Şebeke gücüne erişimi olmayan ortamlarda bu, sınırlı yerleşik enerji sorununu çözmez. Bu nedenle araştırmacılar, elektrik şarjının sınırlarını tamamen aşmak için robotlara metal veya kimyasal yakıtlarla ( hayvanların yediği gibi ) "yakıt ikmali" gibi alternatifleri araştırıyorlar. 

Bir alternatif: Robotik metabolizma

    Doğada hayvanlar yeniden şarj olmazlar, yerler. Yiyecekler sindirim, dolaşım ve solunum yoluyla enerjiye dönüştürülür. Yağ bu enerjiyi depolar, kan onu hareket ettirir ve kaslar onu kullanır. Gelecekteki robotlar, sentetik metabolizmalarla benzer bir plan izleyebilir. 

    Bazı araştırmacılar, robotların metal veya kimyasal yakıtları "sindirmesine" ve oksijen solumasına izin veren sistemler inşa ediyor. Örneğin, sentetik, mide benzeri kimyasal reaktörler, alüminyum gibi yüksek enerjili malzemeleri elektriğe dönüştürebilir. 

    Bu, robotların bir odadaki nesneleri algılayabildiği ve onları almak için gezinebildiği robot özerkliğindeki birçok ilerlemeye dayanıyor, ancak burada enerji kaynaklarını toplayacaklardı. 

    Diğer araştırmacılar, kan gibi dolaşan sıvı bazlı enerji sistemleri geliştiriyorlar. Erken bir örnek olan robotik bir balık, standart bir lityum iyon pil yerine çok işlevli bir sıvı kullanarak enerji yoğunluğunu üç katına çıkardı. Bu tek tasarım değişikliği, yeni kimya yoluyla değil, daha biyo-ilham verici bir yaklaşımla 16 yıllık pil iyileştirmelerine eşdeğer bir şey sağladı. Bu sistemler, robotların çok daha uzun süre çalışmasına izin verebilir ve günümüzün pillerinden çok daha fazla enerji depolayan malzemelerden enerji çekebilir. 

    Hayvanlarda, enerji sistemi sadece enerji sağlamaktan daha fazlasını yapar. Kan, sıcaklığı düzenlemeye, hormon vermeye, enfeksiyonlarla savaşmaya ve yaraları onarmaya yardımcı olur. Sentetik metabolizmalar da aynı şeyi yapabilir. Gelecekteki robotlar, dolaşımdaki sıvıları kullanarak ısıyı yönetebilir veya depolanmış veya sindirilmiş malzemeleri kullanarak kendilerini iyileştirebilir. Merkezi bir pil takımı yerine, enerji vücutta uzuvlarda, eklemlerde ve yumuşak, doku benzeri bileşenlerde depolanabilir. 

    Bu yaklaşım, yalnızca daha uzun ömürlü değil, aynı zamanda daha uyumlu, esnek ve gerçekçi makinelere yol açabilir. 

Sözün özü

    Bugünün robotları hayvanlar gibi sıçrayabilir ve koşabilir, ancak mesafe kat edemezler. 

    Vücutları hızlı, zihinleri gelişiyor ama enerji sistemleri yetişmedi. Robotlar insanlarla anlamlı bir şekilde birlikte çalışacaksa, onlara zeka ve çeviklikten daha fazlasını vermemiz gerekecek. Onlara dayanıklılık vermemiz gerekecek.