Iššūkis ateities robotams: kaip išspręsti energijos išlaikymo problemą?

Nuolatinis iššūkis: kaip aprūpinti ateities robotus energija

Nuo pažangių humanoidų iki vikrių robotų šunų – šiuolaikinė robotika stebina judėjimo galimybėmis, tikslumu ir dirbtinio intelekto pasiekimais. Vis dėlto, nepaisant įspūdingų judesių ar sudėtingų užduočių, pažangūs robotai susiduria su esminiu iššūkiu: ribota energijos ištverme. Ši „robotų energijos krizė“ yra viena pagrindinių kliūčių, ribojančių autonominių sistemų potencialą.

Pavyzdžiui, šių metų pradžioje Pekine robotas per mažiau nei 2 valandas ir 40 minučių įveikė pusmaratonį (21 km) – įspūdingas pasiekimas, nors jis ir atsiliko nuo profesionalių bėgikų. Svarbu paminėti, kad robotas negalėjo užbaigti trasos su viena baterijos įkrova – pakeliui teko keisti akumuliatorių net tris kartus. Ši detalė atskleidžia rimtą inžinerinę problemą: dabartinės robotikos energijos saugyklos dar nėra pajėgios užtikrinti ilgalaikio veikimo, ypač lyginant su biologiniais organizmais.

Rezultatai prieš ištvermę: kur robotai vis dar nusileidžia

Šiuolaikiniai robotai gali bėgti, šokti ar laipioti su neregėtu vikrumu, remdamiesi žmonijos tyrimais biomechanikos, judesių valdymo ir pažangių pavarų srityse. Boston Dynamics robotai, tokie kaip „Spot“ ar „Atlas“, geba imituoti gyvūnų judesius ar net kai kuriose srityse viršyti biologinių raumenų efektyvumą. Visgi, kalbant apie ilgalaikį veikimą ir ištvermę, robotai gerokai nusileidžia gyvoms būtybėms. Gyvūnai pavargsta, tačiau gali paprastai pasipildyti energijos atsargas maisto dėka ir pailsėti; robotai tiesiog nustoja veikę, kai baigiasi jų akumuliatoriaus energija, nesvarbu, kokie efektyvūs ar išmanūs jų judesiai.

Baterijų ribotumas: pagrindinė energijos iššūkio priežastis

Dauguma mobiliųjų robotų naudoja ličio jonų baterijas – panašias į tas, kurias randame išmaniuosiuose telefonuose ar elektromobiliuose. Nors šios baterijos patikimos, jų energijos tankis auga lėtai – apie 7% per metus. Tokiu tempu prireiktų daugiau nei dešimtmečio, kad robotas galėtų dirbti dvigubai ilgiau su ta pačia įranga. Pavyzdžiui, Boston Dynamics „Spot“ robotas-šuo vienu įkrovimu veikia tik apie 90 minučių ir kraunasi dar valandą – daug trumpiau nei žmogaus darbo pamaina ar kelias dienas trunkantis kinkomo šuns ištvermingumas.

Didžiausia problema kyla ne iš pačios robotikos techninės pusės, o iš ribotos energijos saugyklos. Lyginant pagrindinius skaičius, aiškiai matyti skirtumas: gyvūnų riebalai kaupia apie 9 kWh/kg energijos – kinkomo šuns rezervas prilygtų „Tesla Model 3“ baterijai (~68 kWh). Tuo tarpu ličio jonų akumuliatoriai tesukaupia apie 0,25 kWh/kg. Net ir naudojant efektyvias pavaras, robotams prilygti gyvūnų ištvermei reikėtų akumuliatorių, dešimtis kartų galingesnių už dabartinius sprendimus.

Veikimo apribojimai: robotų realybėje

Ribota autonomija – tai ne tik techninė detalė, bet ir veiksnys, lemiantis, kokias realias užduotis robotai gali įgyvendinti. Paieškos ir gelbėjimo misijoje robotas, kurio akumuliatorius išsenka vos po 45 minučių, gali nesuspėti atlikti užduoties. Žemės ūkyje autonominiams kombainams ar dronams būtinas ilgas veikimo laikas be dažnų įkrovimų. Net logistikos ar ligoninių aplinkoje trumpas veikimo laikas komplikuoja darbą ir didina eksploatacijos kaštus. Jeigu robotai nori tapti kritine pagalba visuomenei – padėti senjorams, tyrinėti pavojingas zonas ar dirbti kartu su žmogumi ilgesnį laiką – jų energijos sistemos turi ženkliai patobulėti.

Už ličio – naujų baterijų technologijų paieškos

Mokslininkai eksperimentuoja su naujomis baterijų cheminėmis sudėtimis, tokiomis kaip ličio-sieros ar metalais grįstos oro baterijos. Jos gali teoriškai pasiūlyti daug didesnį energijos tankį, prilygstantį net gyvūnų riebalų efektyvumui. Kartu su naujos kartos pavaromis, tokios baterijos galėtų leisti robotams ištverme konkuruoti su biologiniais organizmais. Tačiau šios technologijos kol kas turi trūkumų: jos greičiau dyla, sunkiai įkraunamos ir sukelia inžinerinių iššūkių. Greitas įkrovimas sumažina prastovas, bet trumpina baterijos tarnavimo laiką, kelia temperatūrą, reikalauja sunkios ir brangios infrastruktūros – visa tai sudėtinga taikyti lauko darbams ar nutolusiose vietovėse.

Gamta kaip įkvėpimo šaltinis: robotų metabolizmas ir dirbtinė mityba

Milijonus metų trukusi evoliucija optimizavo biologinių sistemų energijos valdymą. Gyvūnai nesikrauna elektros – jie vartoja ir metabolizuoja maistą, kaupia energiją riebalų pavidalu, cirkuliuoja ją per kraujotaką ir naudoja pagal poreikį. Ar robotai gali imituoti šį efektą taikydami dirbtinę mitybą ar sintetinį metabolizmą?

Robotai, kurie „maitinasi“: cheminiai reaktoriai ir paskirstyta energija

Vizionierių komandos kuria sprendimus, kurių dėka robotai „virškina“ metalo ar cheminių medžiagų kurą, generuodami elektros energiją specialiuose imitaciniuose „skrandžiuose“. Pavyzdžiui, aliuminis gali būti paverčiamas elektros energija, imituojant natūralius gyvūnų virškinimo procesus. Vietoje vienos centralizuotos baterijos, ateities robotai gali turėti išskaidytas energijos saugyklas galūnėse, jungtyse ar net lanksčiose „audiniuose“.

Biologijos įkvėpti skysčių energetikos tinklai: robotų kraujo revoliucija

Dar vienas požiūris – energiją paskirstyti skysčių tinkle, primenančiame kraujotaką. Žinomas pavyzdys – roboto žuvies prototipas, padidinęs energijos atsargas tris kartus dėka universalaus skysčio, kuris veikė ir kaip pavaros terpė, ir kaip energijos akumuliatorius. Šis sprendimas leido pasiekti rezultatą, prilygstantį 16 metų pažangai tradicinėse baterijose. Tokios energijos sistemos žada ne tik ilgesnę roboto veiklą, bet ir galimybę naudoti daug galingesnes medžiagas nei dabartinėse ličio baterijose.

Biologiniuose organizmuose energija naudojama ne tik judėjimui – kraujas reguliuoja temperatūrą, perneša hormonus, padeda gijimui. Dirbtinis metabolizmas galėtų leisti robotams patiems vėsintis, naudotis energijos pertekliumi remontui ar paskirstyti jėgą tarp skirtingų sistemų.

Energijos šaltinių palyginimas: baterijos, dirbtinis metabolizmas, saulės energija

Visapusiškas robotų energijos valdymo žvilgsnis apima:

• Tradicines ličio jonų baterijas: patikimos ir pigios, tačiau ribotas ištvermingumas ir lėtas pažangos tempas.
• Naujų cheminių sudėčių baterijas (Li-S, metal-air): potencialiai daug energijos, tačiau kol kas riboja įkrovimo ir tarnavimo trukmės klausimai.
• Saulės energiją: tinka stacionariems ar mažai energijos naudojantiems robotams, bet daugumai mobilių robotų joje per mažai galios.
• Dirbtinę mitybą, biologijos įkvėptą metabolizmą: perspektyvi galimybė turėti išskaidytą, lanksčią ir savaime atsinaujinančią energijos sistemą – kaip gamtoje.

Kiekvienas būdas turi savų privalumų, todėl dažnai jie bus derinami priklausomai nuo roboto taikymo srities.

Praktiniai pavyzdžiai: kodėl robotams būtina geresnė energija

Energijos inovacijos robotikoje – ne tik žingeidumo objektas, bet ir būtinybė daugeliui sričių:

• Paieška ir gelbėjimas: robotai turi išlikti gyvybingi valandoms ar net paroms be pastovios priežiūros.
• Žemės ūkis: autonominė technika ir dronai turi būti ištvermingi, kad efektyviai apdorotų laukus be pertrūkių.
• Logistika ir sandėliavimas: ilgai veikiantys robotai sumažina įkrovimo poreikį, padidina našumą, paprastina priežiūrą.
• Medicina ir pagalba namuose: paslaugų robotai, padedantys vyresniems ar ligoniams, negali neplanuotai sustoti.
• Kosmoso tyrinėjimas: Mėnulio ar Marso misijose robotai turi panaudoti vietinius išteklius arba pažangias baterijas, nes infrastruktūros nėra.

Robotizacijos ateitį lems gebėjimas veikti nepriklausomai nuo sunkios infrastruktūros ar žmogaus įsikišimo, efektyviai išnaudoti laiką tarp papildymų.

Rinkos tendencijos ir ateities kryptys

Augant autonominių robotų rinkai – nuo sandėlių automatizavimo iki pagalbos namuose – ilgalaikės ir patikimos energijos sistemos tampa vis svarbesnės. Įmonės, investuojančios į pažangias baterijas, cheminius energijos konverterius ar biologijos įkvėptus cirkuliacinius sprendimus, įgaus konkurencinį pranašumą.

Paskirstytos energijos saugyklos ir „robotų metabolizmas“ suteiks strateginį atsparumą: galimybė surasti, virškinti ar perdirbti kuro medžiagas leistų veikti ypač atšiauriomis sąlygomis, kur paprastas elektronikos sprendimas neįmanomas. Su kiekvienu žingsniu į priekį sveikatos priežiūroje, saugume ar žemės ūkyje, gebėjimas imituoti natūralios energijos strategijas tampa lemiamas faktorius.

Būsimos robotų energijos sistemų savybės

• Aukštas energijos tankis: leidžia ilgesnes misijas net ir mažose sistemose.
• Lankstūs įkrovimo ar „maitinimo“ būdai: galima pasirinkti tarp baterijų, saulės, cheminio kuro ar aplinkoje esančių resursų.
• Paskirstyta energijos saugykla: užtikrina saugumą, atsparumą ir balansą.
• Savaiminis apsauga ir šilumos valdymas: įvairios skystos energijos sistemos galėtų leisti dinamiškai reguliuoti temperatūrą ir remontuoti save.
• Moduliniai atnaujinimai: galimybė pakeisti ar papildyti energijos saugyklas nesudarant pertraukų.

Išvada: be ištvermės robotikos proveržis neįvyks

Robotikos srityje padaryta didžiulė pažanga judėjimo, intelekto ir prisitaikymo srityse. Tačiau tikroje aplinkoje robotų naudingumą vis labiau ribos ne greitis ar išmanumas, o veikimo trukmė. Norėdami iš tikrųjų bendradarbiauti su robotais pramonėje, namuose ar net kosmose, turime siekti proveržių energijos valdyme.

Nepriklausomai nuo to, ar ateities robotai naudos revoliucines baterijas, dirbtinę mitybą, autonominę energijos paiešką ar šių technologijų derinį, tik tie, kurie derins išmanumą su ištverme, taps ateitį formuojančiomis mašinomis. Tikroji robotų revoliucija prasidės tada, kai jie galės dirbti nepertraukiamai, kaip natūralūs čempionai – ištvermingai ir ilgai.