Velké pokroky nás přivádějí blíže k plně nezávislým měkkým robotům

Výzkumníci z Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) a Caltech vyvinuli nové měkké robotické systémy, které jsou inspirovány origami. Tyto nové systémy jsou schopny se pohybovat a měnit tvar v reakci na vnější podněty. Nové pokroky nás přivádějí blíže k tomu, abychom měli plně nezávislé měkké roboty. Měkké roboty, které dnes máme, využívají vnější energii a kontrolu. Z tohoto důvodu musí být připojeny k systémům s tvrdými součástmi.

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

“Schopnost integrovat aktivní materiály do 3D-tiskových 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 skládání, 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-tisk k získání dvou typů měkkých závěsů. Tyto závěsy se skládají v závislosti na teplotě a lze je naprogramovat, aby se skládaly v určitém pořadí. 

Arda Kotikan je doktorand na SEAS a Graduate School of Arts and Sciences a spoluvlastník studie. 

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

Connor McMahan je doktorand na Caltech a spoluvlastník studie. 

“Používání závěsů usnadňuje programování robotických funkcí a kontrolu toho, jak se robot změní. Místo toho, aby se celý tělo měkkého robota deformovalo nepředvídatelným způsobem, stačí naprogramovat, jak malé oblasti struktury budou reagovat 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 složí a změní tvar robota na pentagonální kolo. 

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

“Mnohé stávající měkké roboty vyžadují připojení k vnějším zdrojům energie a kontrolním systémům nebo jsou omezeny 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 několikrát těžší než závěsy,” řekl McMahan.

Tento výzkum se zaměřil pouze na teplotní odezvy. V budoucnosti 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 architektovaném kompozitu může vést k materiálům se samočinným pohybem v reakci na různé podněty. V budoucnosti mohou být tyto materiály naprogramovány, aby prováděly stále složitější úkoly, čímž se rozostřou hranice mezi materiály a roboty,” řekl Chiara Daraio, profesor mechanického inženýrství a aplikované fyziky na Caltech a spolueditor studie.

Výzkum zahrnoval spolueditory Emily C. Davidson, Jalilah M. Muhammad a Robert D. Weeks. Práce byla podporována Army Research Office, Harvard Materials Research Science and Engineering Center prostřednictvím National Science Foundation a NASA Space Technology Research Fellowship.