Požadavek efektivní výroby a úspory přírodních zdrojů lze naplnit aplikovaným výzkumem a rozvojem nových technologií a jejich integrací do moderních strojů, zařízení a procesů. Významnou roli přitom hraje vývoj mechatronických komponent a aplikací, které komplexně pokrývají celé portfolio mechatroniky . Jedná se především o inovované mechanické prvky, aktuátory a pohony, a to včetně řízení, elektroniky, senzoriky a specializovaných zákaznických řešení. Další důležitou oblastí je vývoj a integrace chytrých technologií a materiálů do konstrukce s využitím moderních komunikačních nástrojů . Přidanou hodnotu pak poskytuje aplikace vyhodnocovacího či rozhodovacího softwaru, který je založen na metodách umělé inteligence. Celý komplex chytré komponenty či chytrého stroje je pro dosažení požadované funkčnosti integrovaného celku nutné a účelné vyvíjet v rámci jedné mechatronické platformy . Aplikace mechatronického přístupu je klíčová při navrhování a inovacích moderních strojních zařízení (zkušební, testovací a výrobní stroje, speciální elektrické stroje, průmyslové manipulátory, individuální chytré řešení, modulární a chytré stroje atd.). Cílem a předností této metodiky je především zvyšování užitných parametrů, komplexnost návrhu, modularita, zvýšení efektivity výroby a energetická úspora.
Efektivní vývoj mechatronického produktu je založený na multidisciplinárním modelu/virtuálním prototypu, na který je aplikován teoretický základ v oblasti metod modelování a simulace chování mechatronických soustav. Užití metod mechatronického vývoje a návrhu ústí do požadovaného zlepšení užitných parametrů s maximálním zapojením nových materiálů a aditivních technologií. Dále tyto metody vedou k maximální efektivitě výroby a provozu a vytvoření modulární struktury komponent a strojů. Tyto aspekty najdou uplatnění především u chytrých strojů a zařízení, speciálních elektrických strojů, výrobních strojů a robotických pracovišť . Důraz je kladen na aplikace moderních metod obrábění a strojírenské technologie a také na integraci logistických a metalurgických procesů.
Tímto postupem lze docílit nejen zvýšení užitných vlastností chytrých komponent a strojů, ale také efektivně vyvinout elektronické a hardwarové prvky CPS pro zajištění funkcionality konkrétního chytrého řešení. Klíčovým prvkem ve vývoji chytrých strojů je integrace CPS a snímaných signálů produktu spolu se simulačním modelem. Takto koncipovaný funkční celek kromě vlastního chytrého řešení, které lze zobrazovat ve virtuálním prostředí, může též poskytnout další funkcionalitu prostřednictvím tzv. virtuálního dvojčete.
První generací virtuálního dvojčete je virtuální prototyp stroje, který se rodí spolu s návrhem produktu a slouží ve výrobě jako virtuální předloha . V procesu vzniku produktu se dvojče rozvíjí a díky verifikačním testům a integraci vstupů z CPS dosáhne shody na dané rozlišovací úrovni . Virtuální dvojčata lze klasifikovat i dle dosažené rozlišovací úrovně jako nástroj poskytující kombinaci metadat, stavů a podmínek provozu stroje. Virtuální dvojče lze efektivně využít pro monitorovací, analytické, rozhodovací a optimalizační úlohy, které jsou vztažené na reálný stroj a tím vytváření další prostor pro chytré řešení produktu.
Potenciál chytré technologie virtuálního dvojčete je založen na účelné integraci elektronických a hardwarových prvků CPS do konstrukce stroje. CPS také integrují softwarové nástroje pro předzpracování dat a komunikaci s cloudovým úložištěm. Zde dochází k vzájemné fúzi dat se simulačním modelem virtuálního dvojčete . Chytrý stroj a jeho virtuálního dvojče nabízí během provozu možnosti inteligentního analyzování provozních stavů, diagnostiky, a především možnosti prediktivní údržby či dokonce rekonfiguratelnosti a samo-opravitelnosti. Pro prediktivní úlohy chování a údržby stroje se předpokládá zapojení metod umělé inteligence.
Aktuální výzkumné trendy v oblasti mechatroniky se soustředí na rozvoj multidisciplinárních postupů od vývoje nových dílů a komponent, až po celé chytré stroje, a to vše v rámci jedné vývojové mechatronické platformy. Jedná se o multioborové návrhy účinných pohonů a celých soustrojí „pohon – stroj“, či souběh konvenčních a aditivních výrobních technologií (vnitřně strukturovaných materiálů) a kompozitu, které vytváří mechanické komponenty se specifickými vlastnostmi, jako např. laditelná tuhost, nízká hmotnost, odolnost proti opotřebení, odolnost proti vibracím nebo nižší hlučnost. Důležitou roli má výzkum potřebný pro inovovaní mechanických strojních prvků, aktuátorů a pohonů, a to včetně řízení, elektroniky, senzoriky, nástrojů a výrobních technologií, které směřují ke konkurenceschopnému a udržitelnému strojírenství.
Významným trendem je efektivní integrace snímacích řetězců (CPS) ve fázi vývoje výrobku a vývoj pokročilých technik snímání. Jedná se o návrh a integraci HW prvků (elektroniky, printed electronics, embedded systémů, smart materiálů a integrovaných senzorů) a SW nástrojů (data acquisition, zpracování signálů, agregace, interpretace a vyhodnocení dat) do jednoho celku, který následně díky technologiím IoT komunikuje s cloudovým úložištěm. Aktuální jsou metody integrace chytrých materiálů/metamateriálů do konstrukce strojních zařízení či implementace chytrých mechatronických (embedded) aplikací do výrobních technologií a procesů. V současnosti jsou tyto technologie vyvíjeny pro letecký průmysl. S vývojem nízko-příkonové elektroniky, MEMS a NEMS technologií, nanomateriálů, včetně technologií tištěné elektroniky, je bude možné integrovat do běžných strojních zařízení a součástí, a to bez zvýšení nákladů na jejich výrobu a provoz. S rozvojem SMART materiálů lze zefektivnit návrh a realizaci CPS, především v oblasti diagnostiky a údržby založené na sledování provozního zatížení (condition base maintenance).
Aplikace mechatronického přístupu je klíčová pro tvorbu verifikovaného a validovaného virtuálního/digitálního prototypu strojního zařízení, ze kterého se extrahují prvky technologie virtuálních dvojčat. Cílem je zlepšení užitných parametrů vyvíjených strojních zařízení s maximálním zapojením nových materiálů a technologií, které vedou ke zvýšené efektivitě výroby a provozu komponent a strojů. Přidanou hodnotu pak poskytuje aplikace vyhodnocovacího či rozhodovacího softwaru založeného na metodách umělé inteligence. Výzkum těchto metod je zaměřen na oblasti prediktivní údržby a diagnostiky.
Technologickou výzvou je i implementace virtuálních dvojčat v oblasti zdravotnictví pro individuální přizpůsobení biomechanických modelů konkrétnímu pacientovi a jejich aplikace při výrobě protetických pomůcek. Důležitým úkolem vývoje je způsob shromáždění nasnímaných provozních dat (Big Data) během dlouhodobého provozu a metody zpracování a vyhodnocování dat. Cílem vývoje je, aby vstupní data v technologii digitálního dvojčete sloužila jako nástroj rozhodovacího procesu, který zajišťuje splnění daných požadavků na přesnost, spolehlivost a efektivitu stroje či zařízení. V těchto úlohách hrají zásadní roli metody a algoritmy umělé inteligence, které se efektivně využívají ve vývojových i provozních fázích výrobku.
