Forskere udvikler nye kontrolsystemer til bløde robotter

Et hold robotforskere, ingeniører og materialer fra Rice University og Harvard University har demonstreret analoge og luftdrevne kontrolsystemer til bløde robotter. Holdet har vist, at det er muligt at udvikle programmerbare, ikke-elektroniske kredsløb til at kontrollere handlingerne af bløde robotter. Disse kredsløb fungerer ved at behandle informationer, der er kodet i lufttryksudsalg.

Forskningen blev offentliggjort i Proceedings of the National Academy of Sciences. 

Oprettelse af kontrolsystemet

Colter Decker er hovedforfatter på studiet og en Rice-undergraduat. 

“En del af skønheden i dette system er, at vi virkelig kan reducere beregningerne til deres grundlæggende komponenter,” siger Decker. 

Han sagde også, at elektroniske kontrolsystemer har været forfinet i årtier, og ved at genskabe computerkredsløb “med analoge til tryk og flow rate i stedet for spænding og strøm” er det lettere at inkorporere pneumatisk beregning. 

Decker oprettede det bløde robotkontrolsystem primært fra hverdagsmateriale, såsom plastikstrå og gummibånd. I eksperimenterne demonstrerede systemet luftdrevne logiske porte, der kunne konfigureres til at udføre operationer, der refereres til som booleske funktioner, der er afgørende for moderne beregning. 

“Målet var aldrig at erstatte elektroniske computere fuldstændigt,” siger Decker. 

I mange tilfælde har bløde robotter eller bærbare enheder kun brug for at blive programmeret for nogle få simple bevægelser. For det nye teknologi er det muligt, at det “ville være meget billigere og sikrere til brug og mere holdbart” end traditionelle elektroniske kontrolsystemer. 

Det nye projekt var et samarbejde mellem flere forskningsgrupper og i alt ni medforfattere. 

Holdet oprettede to komponenter. Den første er en pistonlignende aktuator, der oversætter lufttryk til mekanisk kraft. Og den anden er en ventil, der kan slukkes og tændes. Komponenterne blev konstrueret fra forskellige dele, herunder plastikstrå, fleksible plastikrør, gummibånd, pergamentpapir og termoplastiske polyurethanplader. 

Kombination af komponenter i en enkelt enhed

De to komponenter kunne kombineres i en enkelt enhed, der var en bistabil ventil, der fungerede som en kontakt og brugte lufttryk som input og output. En bestemt mængde lufttryk resulterer i, at kontakten skiftes mellem de to tilstande, og ventilerne blev holdt lukket af gummibånd og programmeret ved at tilføje eller fjerne gummibånd. Dette resulterede i en ændring af mængden af tryk, der kræves for aktivering. 

Testerne demonstrerede, at kredsløbene kunne bruges til at kontrollere en blød, håndformet robot, en pneumatiske pude og en skoæske-størrelse robot, der gik en forprogrammeret antal skridt for at hente et objekt. 

Daniel Preston er adjunkt i mekanisk ingeniørvidenskab på Rice og medforfatter på studiet. 

“Den største præstation i dette arbejde er inkorporeringen af både digital og analog kontrol i samme systemarkitektur,” siger Preston. 

Med begge kan de pneumatiske kontrolkredsløb programmeres digitalt med de “enere og nuller, du tænker på i en traditionel computer. Men vi kan også inkorporere analoge muligheder, ting, der er kontinuerte.” Han fortsætter: “Det giver os mulighed for at virkelig simplificere den samlede systemarkitektur og opnå nye muligheder, der ikke var tilgængelige i tidligere arbejde.”