Velké pokroky nás přivádějí blíže k plně nezávislým měkkým robotům

Výzkumníci z Harvardské školy inženýrství a aplikovaných věd (SEAS) a Caltechu vyvinuli nové měkké robotické systémy inspirované origami. Tyto nové systémy jsou schopny se pohybovat a měnit tvar v reakci na vnější podněty. Nové objevy nás přivádějí blíže k tomu, abychom měli plně nezávislé měkké roboty. Měkké roboty, které máme dnes, používají externí energii a kontrolu. Proto musí být připojeny k externím systémům s tvrdými součástmi.

Výzkum byl zveřejněn v Science Robotics. Jennifer A. Lewis, profesorka biologicky inspirovaného inženýrství na SEAS a spoluvedoucí autorka studie, hovořila o nových objevcích.

“Schopnost integrovat aktivní materiály do 3D tisknutých objektů umožňuje navrhnout a vyrobit zcela nové třídy měkké robotické hmoty,” řekla.

Výzkumníci použili origami jako model pro vytvoření multifunkčních měkkých robotů. Origami, prostřednictvím sekvencí záhybů, je schopno změnit tvar a funkčnost, zatímco zůstává v jediné struktuře. Výzkumný tým použil kapalné krystalické elastomery, které jsou schopny měnit tvar, když jsou vystaveny teplu. Tým využil 3D tisku k získání dvou typů měkkých závěsů. Tyto závěsy se ohýbají v závislosti na teplotě a lze je naprogramovat, aby se ohýbaly v určitém pořadí.

Arda Kotikan je doktorand na SEAS a Graduate School of Arts and Sciences a spolu-první autor článku.

“Naším způsobem 3D tisku aktivních závěsů máme plnou programovatelnost teplotní reakce, množství točivého momentu, který závěsy mohou vyvinout, jejich ohýbací úhel a směr ohýbání. Naše metoda výroby usnadňuje integraci těchto aktivních součástí s jinými materiály,” řekla.

Connor McMahan je doktorand na Caltechu a spolu-první autor článku.

“Používání závěsů usnadňuje programování robotických funkcí a kontrolu, jak se robot změní. Místo toho, aby se celý tělo měkkého robotu deformovalo způsobem, který může být obtížné předpovědět, stačí naprogramovat, jak budou reagovat pouze malé oblasti struktury na změny teploty,” řekl.

Tým výzkumníků postavil několik měkkých zařízení. Jedním z nich byl nezávislý měkký robot nazvaný „Rollbot“. Začíná jako plochá deska o délce 8 centimetrů a šířce 4 centimetry. Když je v kontaktu s horkou plochou kolem 200°C, jeden soubor závěsů se ohýbá a tvaruje robota do pentagonálního kola.

Na každé ze pěti stran kola jsou další sady závěsů, které se ohýbají, když jsou v kontaktu s horkou plochou.

“Mnoho stávajících měkkých robotů vyžaduje připojení k externí energii a kontrolním systémům nebo je omezeno množstvím síly, kterou mohou vyvinout. Tyto aktivní závěsy jsou užitečné, protože umožňují měkkým robotům fungovat v prostředích, kde jsou připojení nepraktická, a zvedat objekty, které jsou mnohokrát těžší než závěsy,” řekl McMahan.

Tento výzkum se zaměřil pouze na teplotní reakce. V budoucnu budou kapalné krystalické elastomery dále studovány, protože jsou také schopny reagovat na světlo, pH, vlhkost a další vnější podněty.

“Tato práce demonstruje, jak kombinace reagujících polymerů v architekturované kompozici může vést k materiálům se samočinnou aktivitou v reakci na různé podněty. V budoucnu mohou být tyto materiály naprogramovány, aby vykonávaly stále složitější úkoly, čímž budou rozostřeny hranice mezi materiály a roboty,” řekl Chiara Daraio, profesor mechanického inženýrství a aplikované fyziky na Caltechu a spoluvedoucí autorka studie.

Výzkum zahrnoval spoluautory Emily C. Davidson, Jalilah M. Muhammad a Roberta D. Weekse. Práce byla podporována Armádou výzkumu, Harvardským materiálovým výzkumným centrem pro vědu a inženýrství prostřednictvím Národní vědecké nadace a NASA Space Technology Research Fellowship.