Store udviklinger bringer os tættere på fuldstændigt uforskudte bløde robotter

Forskere fra Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) og Caltech har udviklet nye bløde robot-systemer, der er inspireret af origami. Disse nye systemer kan bevæge sig og ændre form i respons til ydre stimuli. De nye udviklinger bringer os tættere på at have fuldstændigt uforskudte bløde robotter. De bløde robotter, vi har i dag, bruger eksterne kraft og kontrol. På grund af dette må de være forbundet til eksterne systemer med hårde komponenter.

Forskningen blev offentliggjort i Science Robotics. Jennifer A. Lewis, en Hansjorg Wyss Professor of Biologically Inspired Engineering ved SEAS og co-lead forfatter af studiet, talte om de nye udviklinger.

“Evnen til at integrere aktive materialer inden for 3D-printede objekter muliggør design og fremstilling af helt nye klasser af blødt robotmateriale,” sagde hun.

Forskerne brugte origami som model til at skabe multifunktionelle bløde robotter. Origami kan, gennem sekventielle folder, ændre form og funktioner, mens den forbliver i en enkelt struktur. Forskningsholdet brugte flydende krystal-elastomerer, der kan ændre form, når de udsættes for varme. Holdet brugte 3D-printning til at få to typer bløde hængsler. Disse hængsler folder afhængigt af temperaturen og kan programmeres til at foldes i en bestemt rækkefølge.

Arda Kotikan er en ph.d.-studerende ved SEAS og Graduate School of Arts and Sciences og co-first forfatter af artiklen.

“Med vores metode til 3D-printning af aktive hængsler har vi fuld programmerbarhed over temperaturrespons, mængden af kraft, som hængslerne kan udøve, deres bøjningsvinkel og foldningsretning. Vores fremstillingsmetode gør det muligt at integrere disse aktive komponenter med andre materialer,” sagde hun.

Connor McMahan er en ph.d.-studerende ved Caltech og co-first forfatter af artiklen.

“At bruge hængsler gør det lettere at programmere robotfunktioner og kontrollere, hvordan en robot ændrer form. I stedet for at have hele kroppen af en blød robot deformere på måder, der kan være svære at forudsige, behøver man kun at programmere, hvordan nogle få små regioner af strukturen vil reagere på ændringer i temperatur,” sagde han.

Forskningsholdet byggede flere bløde enheder. En af disse enheder var en uforskudt blød robot kaldet “Rollbot”. Den starter som en 8 centimeter lang og 4 centimeter bred flad plade. Når den er i kontakt med en varm overflade på omkring 200°C, folder en sæt af hængsler og former robotten til en pentagonisk hjul.

På hver af de fem sider af hjulet er der flere sæt af hængsler, der folder, når de er i kontakt med en varm overflade.

“Mange eksisterende bløde robotter kræver en forbindelse til eksterne kraft- og kontrolsystemer eller er begrænsede af den mængde kraft, de kan udøve. Disse aktive hængsler er nyttige, fordi de tillader bløde robotter at operere i miljøer, hvor forbindelser er upraktiske, og at løfte objekter, der er mange gange tungere end hængslerne,” sagde McMahan.

Denne forskning, der blev udført, fokuserede udelukkende på temperatursvar. I fremtiden vil de flydende krystal-elastomerer blive studeret yderligere, da de også kan svare på lys, pH, fugtighed og andre ydre stimuli.

“Dette arbejde demonstrerer, hvordan kombinationen af responsive polymerer i en arkitektureret komposit kan føre til materialer med selv-aktivering i respons til forskellige stimuli. I fremtiden kan sådanne materialer blive programmeret til at udføre stadig mere komplekse opgaver, hvilket vil udviske grænserne mellem materialer og robotter,” sagde Chiara Daraio, Professor of Mechanical Engineering and Applied Physics ved Caltech og co-lead forfatter af studiet.

Forskningen inkluderede co-forfattere Emily C. Davidson, Jalilah M. Muhammad og Robert D. Weeks. Arbejdet blev støttet af Army Research Office, Harvard Materials Research Science and Engineering Center gennem National Science Foundation og NASA Space Technology Research Fellowship.