Wystawa MoMA Projektowanie i giętki umysł ukazała kontrolę ruchu i mechatronikę w nowym świetle
Może się wydawać, że jest mało prawdopodobne, by w muzeum można zobaczyć najnowocześniejsze systemy mechatroniczne i kontroli ruchu podczas pracy, ale inżynierowie projektujący te systemy są pewni, że ich najlepsze dzieła wnoszą nieco artyzmu do całej techniki, która służy do wprawienia rzeczy w ruch. Dlatego nie jest przesadą sądzić, że wystawa muzealna mogłaby ukazać systemy kontroli ruchu w nowym świetle, tak, aby od razu wydały się znajome i świeże z punktu widzenia inżynierii.
Muzeum Sztuki Nowoczesnej w Nowym Jorku zaprezentowało ostatnio właśnie taką wystawę. Zatytułowana została Projektowanie i giętki umysł i pokazano na niej to, co jej kustosz, Paola Antonelli, opisuje jako „wzajemną relację nauki i projektowania”. Pokazuje w pewnym stopniu to, co dzieje się, gdy naukowcy i inżynierowie połkną bakcyla projektowania – opowiada – choć bywa też całkiem odwrotnie.
Antonelli umieściła na wystawie ponad 200 eksponatów i ekspozycji, które uwypuklają to, co nazywa „destrukcyjnymi lub potencjalnie destrukcyjnymi technologiami”, przez co rozumie technologie, mogące zapoczątkować duże zmiany w ludzkim zachowaniu lub w społeczeństwie. Na wystawie, która zakończyła się w maju, ale którą można wciąż oglądać w Internecie, podzielono grupę różnorodnych technologii zależnie od ich skali, funkcji i inspiracji. W centrum uwagi znalazła się na przykład nanotechnologia, jak również drukowanie trójwymiarowe, a także projektowanie ekologiczne. Niektóre najciekawsze eksponaty, ze względu na ich konstrukcję mechaniczną, stanowiły pomysły naturalne, inspirowane biologią. Natura tworzy rzeczy w rozsądny, oszczędny i elegancki sposób – dodaje Antonelli.
Zaawansowane sterowanie ruchem, szczególnie w podejściu mechatronicznym, wykracza ponad pewne ustalone kategorie wystawy. A oto trzy wyróżniające się eksponaty.
Biologicznie inspirowane płaszczki
Bywalcy muzem mieli szansę zobaczyć dwie z mechatronicznych, inspirowanych biologicznie stworzeń, opracowanych przez firmę Festo, wykonawcę i dostawcę specjalistycznych systemów automatyki i napędu. Stworzenia te, pływająca Aqua Ray i latająca Air Ray, po raz pierwszy pojawiły się na niemieckich targach w Hanowerze w 2007 roku, a więc mogą nie być nowością dla czytelników Design News. Antonelli twierdzi jednak, że wybrała te właśnie obiekty częściowo po to, by podkreślić, jak natura zainspirowała nie tylko bryłę zewnętrzną tych tworów, ale również ich układy napędowe.
Emergent Surface zmienia kształty w reakcji na otoczenie. Zasilana jest zespołem hybrydowych serwosilników krokowych firmy Quicksilver Controls.
Air Ray wykorzystuje mięśnie pneumatyczne firmy Festo, które mogą stanowić alternatywę dla cylindrów pneumatycznych oraz innych siłowników. Siłowniki te, składające się z rur elastomerowych wzmacnianych włóknami aramidowymi, kurczą się szybko, a po napełnieniu sprężonym powietrzem lub cieczą wywierają siłę ciągnącą. Ich dynamika zbliżona jest do mięśni biologicznych – zauważa Antonelli. Podobnie jak naturalne mięśnie, te bioniczne muskuły doświadczają spadku siły w miarę, jak się skracają.
Początkowa siła i prędkość, z jaką jest ona osiągana, mogą być znaczne. Elias Knubben z Centrum Identyfikacji Wizualnej Festo przekonuje, że firma opracowała mięśnie, które po napełnieniu ciśnieniem o wartości 6 barów osiągają siłę 6000 N. Co więcej, mogą one szybko reagować — z częstotliwością nawet do 100 Hz. Przy wielkości ponad 25 procent mniejszej niż porównywalne siłowniki pneumatyczne, mięśnie te zajmują również stosunkowo mało miejsca.
W przypadku Aqua Ray, mięśnie pneumatyczne działają w parach, by naśladować machanie skrzydeł dające napęd prawdziwym diabłom morskim. Układ Aqua Ray wykorzystuje kompaktową pompę łopatkową, by doprowadzić ciśnienie do mięśni pneumatycznych, podczas gdy przewody Spectra służą jako „ścięgna” przekazujące siły z mięśni pneumatycznych do skrzydeł. Skok ścięgna o wielkości 55 mm przekształca się na pionową amplitudę skrzydła o wartości ponad 550 mm.
Latający kuzyn Aqua Ray, wypełniona helem Air Ray, również zapożycza swój styl napędu od poruszających się skrzydeł diabła morskiego. W tym przypadku jednak ruchy skrzydła są powodowane przez serwomechanizm napędzany za pomocą małego silnika Torcman.
Inteligentne konstrukcje
Kolejnym eksponatem, który w dużej mierze wykorzystywał sterowanie ruchem, była prezentacja architektoniczna stworzona przez Chucka Hobermana i jego zespół z firmy Hoberman. Wykonana ze stali nierdzewnej i aluminium konstrukcja, zwana Emergent Surface, tworzy fasadę, której kształt zmienia się w zależności od warunków otoczenia lub w celu utworzenia zmiennego „filtra” pomiędzy wnętrzem budynku i światem na zewnątrz.
Hugh Herr i badacze należący do Laboratorium Biomechatronicznego firmy MIT stworzyli protezę stopy i kostki ze wspomaganiem, naśladującą funkcjonowanie kończyny biologicznej.
Ta zajmująca przestrzeń od podłogi do sufitu konstrukcja składa się z siedmiu „łodyg”, słupów, które zostały ustawione w odległości około 0,9 m od siebie. Do każdego z tych słupów zamocowano trzy lub cztery przypominające listwy jednostki, które mogą wysuwać się lub cofać na skutek działania równoległych łączników składających się z czterech prętów. Jednostki poruszają się jak powierzchnia rozwijalna – stwierdza Ziggy Drozdowski, inżynier elektryk i kierownik technologii w firmie Hoberman.
Poruszają się one po linii prostej jedna nad drugą, zgodnie z łukiem ramion sterujących łączników.
Urządzenie to przeznaczone do demonstracji, ale skalowalne do wielkości architektonicznej, wyposażone zostało w 24 osie ruchu. Wszystkie są bezpośrednio napędzane przez wyjątkowy system serwosilnika skokowego firmy Quicksilver Controls. Z pomocą stworzonych na zmówienie kontrolera i kodera systemy te pozwalają, by zwykłe otwarte silniki krokowe pracowały jako serwosilniki w obwodzie zamkniętym.
Drozdowski wybrał je ze względu na oferowany przez nie dobry statyczny moment obrotowy w trybie silnika krokowego oraz dobrą charakterystykę bezwładnościową. W tym przypadku obie te cechy były bardzo ważne. Drozdowski twierdzi, że listwy muszą być utrzymywane w miejscu, co jest uzyskiwane przez jego oprogramowanie sterujące z wykorzystaniem trybu serwosilników. Listwy są równoważone z użyciem siły, więc nie wykorzystujemy całej zdolności statycznego momentu obrotowego silników – dodaje. Jednocześnie, ważące od około 18 do 23 kG listwy wywierają obciążenie bezwładnościowe, z którym najlepiej radzą sobie serwomechanizmy. Nie przejmowaliśmy się zbytnio dokładnością pozycjonowania, ale musieliśmy mieć możliwość szybkiego ruszenia i zatrzymania – dodaje.
W prezentowanym modelu stworzonym na potrzeby wystawy MoMA Drozdowski uruchomił Emergent Surface w pętli. W rzeczywistości jednak taka sama technologia byłaby zazwyczaj bardziej mechatroniczna i obejmowałaby czujniki oraz bardziej inteligentne oprogramowanie, które umożliwiałoby konstrukcji reagowanie na otoczenie.
Proteza ze wspomaganiem
Inną mechatroniczną konstrukcją wybraną przez Antonelli była proteza stopy i kostki ze wspomaganiem opracowana przez grupę badawczą Biomechatroniki firmy MIT. W przeciwieństwie do tradycyjnych protez, które zapewniają reakcję sprężynową podczas ruchu i pozostają pasywne podczas końcowej fazy kroku, ten nowy aktywny model wykorzystuje układ sprężyn i małego bezszczotkowego silnika napędzanego prądem stałym, by wygenerować energię większą, niż byłoby to możliwe w przypadku samej sprężyny.
Energia wytworzona podczas ruchu do przodu osoby noszącej protezę jest magazynowana w przypominającej ścięgno sprężynie, a następnie uwalniana, kiedy stopa się odpycha. Dodatkowa energia mechaniczna generowana przez silnik również jest dodawana, by zwiększyć siłę ruchu – zapewniając w ten sposób moc zbliżoną do wytwarzanej przez człowieka, nawet w końcowej fazie ruchu.
Twórca protezy ze wspomaganiem, pracujący dla firmy MIT profesor Hugh Herr, nazywa tego rodzaju generowanie energii „zrobotyzowanym wspomaganiem przypominającym pracę mięśni”, które naśladuje pracę biologicznej kostki nawet wówczas, gdy osoba nosząca protezę porusza się po nierównej powierzchni.
Uzyskana w ten sposób dodatkowa energia ma wpływ na sposób chodzenia ludzi, którzy przeszli amputację. Według Herr, osoby takie zużywają na chodzenie zazwyczaj ok. 30 procent więcej energii metabolicznej, niż osoby w pełni sprawne i z tego powodu często poruszają się wolniej. Mogą one również odczuwać całe mnóstwo problemów ze stawami, spowodowanych niesymetryczną naturą chodu podczas korzystania z pasywnych protez.
Herr, który sam przeszedł podwójną amputację, planuje dalsze ulepszenia protezy ze wspomaganiem. Ma nadzieję umieścić małe, bezprzewodowe implanty w swoich mięśniach w pobliżu połączenia nerwowo-mięśniowego tak, aby podczas skurczu mięśni do sztucznej kończyny przesyłany był za pośrednictwem impulsu elektrycznego sygnał sterujący. Herr pracuje również dla VA Center for Restorative and Regenerative Medicine oraz dla Brown’s Program for Recovery from Trauma, aby ustalić, czy protezę stopy można by mechanicznie przyłączyć bezpośrednio do pozostałej części kości kończyny osoby po amputacji. W ten sposób obciążenia byłyby bezpośrednio przenoszone na kościec takiej osoby.
dn
Sztuka drukowania
Jedna z ważniejszych dyskusji, odbywających się obecnie w kręgach zajmujących się technologią szybkiego prototypowania 3D, dotyczy roli, jaką technologie bezpośredniego wytwarzania wspomaganego cyfrowo odegrają w codziennym życiu konsumentów. Kiedy, jeśli w ogóle, znaczna ilość dóbr materialnych będzie „drukowana trójwymiarowo”, zamiast odlewana, obrabiana, wytapiana, czy tłoczona? Czy w każdym domu będzie biurkowy system produkcji, wytwarzający dobra na zamówienie?
Nikt nie rozumie ograniczeń i możliwości produkcji cyfrowej przyszłości lepiej niż inżynierowie, którzy mają wpływ na praktyczne aspekty projektów i produkcji. Jednak artyści i projektanci wzorów przemysłowych również mogą rzucić pewne światło na kształtowanie przyrostowe.
Holenderska grupa projektowa Freedom of Creation wykorzystała technologię spiekania laserowego do tworzenia tkanin.
Paola Antonelli, starszy kustosz oddziału architektury i projektów w Muzeum Sztuki Nowoczesnej, zwraca uwagę, że projektanci żywo interesują się technologią szybkiego prototypowania 3D już od około pięciu lat. Dobrzy projektanci rozumieją, co te technologie potrafią i czego nie umieją – twierdzi.
Sądząc po wystawie Projektowanie i giętki umysł, projektanci zdają sobie sprawę, że urządzenia do szybkiego prototypowania potrafią robić rzeczy, o których inżynierom jeszcze się nie śniło.
Podobnie jak redakcja Design News, Antonelli wykorzystuje „drukowanie trójwymiarowe” jako uniwersalny termin określający wszystkie systemy do szybkiego prototypowania polegające na komputerach, a nie jedynie kilka urządzeń, które faktycznie stosują natryskowe metody nakładania tuszu. Antonelli wybrała pewne ciekawe eksponaty, by pokazać, na co tego rodzaju technologie stać.
Wśród wydruków trójwymiarowych wyróżniały się „meble szkicowe” firmy Front Design. Ta szwedzka grupa projektowa wymyśliła system przeznaczony do „materializowania odręcznych szkiców”, łączący techniki wideo zapisu ruchu oraz kształtowanie przyrostowe. Użytkownicy po prostu wykonują w powietrzu gesty w skali naturalnej, szkicując przedmiot — wyobraźmy sobie ruchy przypominające pociągnięcia ołówka. Technologia zapisu ruchu zapamiętuje te gesty, zachowuje je jako dane trójwymiarowe, według których można następnie poprowadzić urządzenie spiekające laserowo. Na wystawie można było obejrzeć meble Front wyprodukowane za pomocą tego systemu. Ale inżynierowie mogą równie dobrze spojrzeć na system i zobaczyć w nim niezapisaną tablicę swoich marzeń.
Dzięki kolejnemu eksponatowi można było podziwiać możliwości drukowania trójwymiarowego wykorzystywane do tworzenia tkanin. Zazwyczaj technologie szybkiego prototypowania przywodzą na myśl produkcję sztywnych części lub czasem zespołów części, które mogą poruszać się w stosunku do siebie. Holenderska grupa projektowa Freedom of Creation wykorzystała technologię spiekania laserowego EOS do tworzenia tkanin. W procesie spiekania „nici” tych tkanin są przeplatane warstwa po warstwie. Dzięki projektowaniu komputerowemu tkanina może nabrać różnych właściwości, co może zainteresować inżynierów odpowiedzialnych za elastyczne produkty.
Wystawa Projektowanie i giętki umysł zaprezentowała wiele innych przykładów drukowania trójwymiarowego, od produkcji części samochodowych po nowatorskie krzesła.
