Ludzkość może spać spokojnie: roboty jeszcze przez długi czas nie będą w stanie nas zastąpić. Zwłaszcza w zadaniach wymagających precyzji. Zadbała o to matka natura, która doskonale wyposażyła nas do wykonywania zadań wymagających precyzji. Dobrym przykładem jest ludzka dłoń. Liczba i zakres ruchów, jakie możemy nią wykonać, są oszałamiające i jak na razie nie powiodły się próby stworzenia jej mechanicznego odpowiednika. Do tego maszyneria napędzająca dłonie jest miniaturowa. Cóż, pod względem prędkości obliczeń udało nam się pokonać naturę już kalkulatorem, ale w kwestii mobilności jest jeszcze wiele do zrobienia.

W przypadku wielu potencjalnych zastosowań robotów kluczową rolę odgrywa ich rozmiar, dlatego idealnym rozwiązaniem jest konstrukcja urządzeń, które przy niewielkich gabarytach pozwolą na obsługę wielu różnych ruchów jednocześnie. Z takiego założenia wyszedł dr inż. Daniel Prusak z Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie wraz z zespołem, do którego należą: dr inż. Grzegorz Karpiel, mgr inż. Konrad Kobus i mgr inż. Konrad Gac. Ich wynalazek – piezoelektryczny napęd liniowo-obrotowy realizuje tę zasadę w ten sposób, że umożliwia precyzyjny ruch zarówno w linii prostej, jak i ruch obrotowy.

Kluczowe w zrozumieniu zasad działania wynalazku jest pojęcie zjawiska piezoelektrycznego: niektóre materiały pod wpływem ściskania generują prąd. Możemy także mówić o odwrotnym zjawisku piezoelektrycznym, czyli sytuacji, w której pod wpływem przyłożonego napięcia materiał ulegnie skurczeniu. – Dla przykładu mikronapęd piezoelektryczny zbudowany w formie stosu o wielkości małej gumki do ścierania po rozkurczeniu jest w stanie podnieść samochód ciężarowy na wysokość kilkudziesięciu mikrometrów – mówi dr Prusak.

Najprostszym urządzeniem wykorzystującym to zjawisko jest zwykła zapalniczka. Naciskając guzik, ściskamy materiał o właściwościach piezoelektrycznych, na skutek czego na jego powierzchni zaczynają się zbierać ładunki elektryczne, wykorzystywane następnie do wytworzenia iskry. Takie materiały można znaleźć także w mechanizmach sterujących optyką w aparatach fotograficznych, a także w mikroskopach elektronowych. Innym zastosowaniem jest konstrukcja głośników, w których takie materiały są podpięte do membran i kurcząc się pod wpływem prądu, wprawiają je w drgania, czego efektem jest dźwięk. Ta zasada wykorzystywana jest także w nowoczesnych hełmofonach wojskowych, w których zrezygnowano z tradycyjnego mikrofonu, a jego funkcję przejął element piezoelektryczny odczytujący drgania fal dźwiękowych prosto z czubka głowy żołnierza.

Możliwe jest także opracowanie ładowarek do komórek napędzanych przez nasze chodzenie. Materiał o właściwościach piezoelektrycznych ukrywa się w podeszwie buta. Niestety ilość uzyskiwanej w ten sposób energii jest niewielka, o czym przekonali się badacze z amerykańskiej Agencji Zaawansowanych Projektów Badawczych Obrony DARPA. Kilka lat temu eksperymentowali z systemem, który na polu walki miał zapewnić żołnierzowi niezależne i odnawialne źródło energii. Ostatecznie, właśnie przez wzgląd na niewielki zysk energetyczny projekt zarzucono.

Kurczenie się materiałów o właściwościach piezoelektrycznych można również wykorzystać do uzyskania ruchu. Zresztą robotycy na całym świecie robią to już od lat. Jest jednak pewien problem: dotychczasowe rozwiązania, jeśli miały zapewniać dokładność rzędu mikrometrów, czyli milionowych części metra, były duże, co ograniczało ich poręczność. Z kolei urządzenia niewielkie nie były w stanie zapewnić aż takiej dokładności i uniwersalności. – Największą zaletą mojego napędu jest to, że zapewnia wysoką dokładność w skali mikro przy niewielkich gabarytach – mówi dr Prusak.

Aby zrozumieć, w jaki sposób urządzenie naukowca z AGH zamienia kurczenie się materiału w ruch, wystarczy przypomnieć sobie poczciwą dżdżownicę. Porusza się ona w ten sposób, że najpierw kurczy segmenty swojego ciała, aby następnie gwałtownie je rozkurczyć, wyrzucając ciało do przodu. Z podobną zasadą mamy do czynienia tutaj. Napęd przypomina cylinder zbudowany z cienkich pierścieni tytanowych poprzekładanych materiałem o właściwościach piezoelektrycznych (stop ołowiu, tytanu i cyrkonu) współpracujący z prowadnicą zwaną statorem. Zmyślne ułożenie elementów na prowadnicy powoduje, że po przyłożeniu zmiennego napięcia rozszerzają się i kurczą, aby w efekcie cały cylinder wspiął się po statorze. Dodatkowo część elementów ułożona jest tak, że możliwy jest też równoczesny ruch obrotowy wokół statora. W efekcie otrzymujemy urządzenie, które może się poruszać zarówno liniowo, jak i obrotowo.

Docelowo wynalazek może znaleźć zastosowanie we wszystkich urządzeniach manipulacyjnych, w których wymagana jest bardzo wysoka dokładność ruchu. W szczególności mogłyby to być roboty medyczne stosowane m.in. w kardiochirurgii. Nikogo nie trzeba przekonywać, że precyzja i możliwość sterowania ruchem w zakresie tysięcznych części metra to podstawowe wymagania stawiane tego typu urządzeniom. Ponieważ napęd dr. Prusaka do wytwarzania ruchu wykorzystuje kurczliwość/rozkurczliwość materiału w obecności napięcia, toteż nie ma w nim ani jednego klasycznie rozumianego elementu ruchomego. To z kolei oznacza niezawodność, niewielki stopień komplikacji, a w efekcie – łatwość wdrożeniową, co przedkłada się na oszczędności w kosztach.

Dla dr. Prusaka konstrukcja napędu to jednak dopiero początek na drodze do realizacji większego przedsięwzięcia, jakim jest konstrukcja mikrobota (małego robota) o sześciu stopniach swobody, czyli możliwości poruszania się na osiach x, y, z, czyli po prostu w trzech wymiarach (co oznacza ruch w przód, w tył, w lewo, w prawo, w górę, w dół) i dodatkowo możliwości wykonywania obrotów dookoła tych trzech osi. Do osiągnięcia tego celu naukowcy z AGH wykorzystają trzy takie piezoelektryczne mikronapędy, po jednym dla każdej osi ruchu i typu obrotu. Ramię takiego robota, napędzanego przez układ tych trzech napędów będzie więc miało takie możliwości poruszania się jak ludzka ręka, przy czym każdy z tych ruchów będzie mógł być przez operatora wykonywany z dokładnością co do milionowej części metra.

Doktor Prusak na AGH oprócz prac badawczych (czy konstruktorskich) i dydaktycznych opiekuje się także studenckim kołem naukowym AGH Racing, które zbudowało swój własny bolid startujący w zawodach Formuły Student. Zielony bolid o mocy odpowiadającej ponad 400 koniom mechanicznym zwykłego samochodu musi się mierzyć z konstrukcjami zespołów studenckich z Niemiec, którym pomagają inżynierowie z tamtejszych koncernów motoryzacyjnych. Polscy miłośnicy wielkich prędkości nie mogą liczyć na takie wsparcie, podobnie zresztą jak konstruktorzy robotów. Czy doczekamy się kiedyś polskich producentów robotów błyskawicznie wdrażających technologie opracowane na polskich uczelniach? Doktor Prusak jest zdania, że z pewnością TAK.