Origami-strukturer fører til justerbar stivhed i robotter

Nyt forskning fra Arizona State University demonstrerer, hvordan kurvede origami-strukturer kan føre til tilpasselig fleksibilitet i robotter. Tilpasselig fleksibilitet giver en robot mulighed for at justere sin stivhed afhængigt af opgaven, hvilket tidligere har vist sig at være svært at implementere med simple designs.

Hanqing Jiang er professor i mekanisk ingeniørvidenskab på universitetet og hovedforfatter af artiklen med titlen “In Situ Stiffness Manipulation Using Elegant Curved Origami.” Arbejdet blev offentliggjort i Science Advances.

“Indarbejdningen af kurvede origami-strukturer i robotdesign giver en bemærkelsesværdig mulighed for tilpasselig fleksibilitet, eller stivhed, som dens komplementære begreb,” sagde Jiang. “Høj fleksibilitet, eller lav stivhed, er sammenlignelig med den bløde landing, der navigeres af en kat. Lav fleksibilitet, eller høj stivhed, er lig med at udføre et hårdt spring i et par stive støvler.”

Operativ forskel

Jiang sammenlignede den operative forskel, der tilbydes af kurvede origami, med den mellem sportsvogne og mere komfortfokuserede køretøjer.

“lige som skiftende mellem en sportslig biltilstand til en komfortabel køretilstand, vil disse kurvede origami-strukturer samtidig tilbyde en mulighed for at skifte mellem blød og hård tilstand afhængigt af, hvordan robotterne interagerer med miljøet,” sagde han.

Inden for robottefeltet findes der forskellige stivhedsmodi, såsom høj stivhed, som er afgørende for løftning af tunge vægte. Høj fleksibilitet er afhængig af impactabsorption, og negativ stivhed, som er evnen til at frigøre lagret energi som en fjeder, bruges til sprint.

Tilpasselig fleksibilitet på krav

For robotter, der kræver stivhed, er de ofte bulkeske. Men kurvede origami giver dem mulighed for at operere på en udvidet stivhedsskala, hvilket betyder tilpasselig fleksibilitet på krav.

Teamets forskning fokuserede på at kombinere foldningsenergien ved origami-krevler med panelbøjning, som er justeret ved at flytte langs multiple krever mellem to punkter. Med kurvede origami er en enkelt robot i stand til at udføre forskellige bevægelser. For eksempel udviklede teamet en svømmende robot, der har en række af ni forskellige bevægelser, såsom hurtig, langsom, medium, lineær og rotation. For at opnå nogen af disse skal kreverne blot justeres.

Ud over robottefeltet kunne principperne, der er fastlagt i forskningen, hjælpe med at designe mekaniske metamaterialer i elektromagnetiske, bil- og luftfartsindustrier. Det kunne også vise sig at være nyttigt i skabelsen af biomedicinske enheder.

“Skønheden i dette arbejde er, at designet af kurvede krever og hver kurvet kreve svarer til en bestemt fleksibilitet,” sagde Jiang.

Andre bidragende forfattere til forskningen inkluderer Hanqing Jiang, Zirui Zhai og Lingling Wu fra Skolen for Ingeniørvidenskab.