Videnskabsmænd skaber letvægtsrobotter inspireret af edderkoppernes led

Videnskabsmænd fra Max Planck-instituttet for intelligente systemer i Tyskland og University of Colorado Boulder i USA har udviklet nye letvægtsrobotter ved at bruge principperne fra edderkoppernes led.

Forskningen med titlen ”Edderkop-inspirerede elektrohydrauliske aktuatorer til hurtige, blødt-aktuerede led” er offentliggjort i Advanced Science.

Edderkopper tjener ofte som inspiration inden for robotteknologi, især da de flytter deres lemmer gennem hydrauliske aktueringsmekanismer, når de jagter bytte, hvilket videnskabsmænd forsøger at implementere i robotter.

Ved at bruge disse principper kunne holdet af videnskabsmænd køre articulerede robotter uden nogen klodsede komponenter og forbindelser, hvilket hjælper med at undgå, at de vægtes ned og øger mobilitet og hastighed.

På grund af de letvægtssimple strukturer, der er brugt i dens konstruktion, kan robotten hoppe 10 gange sin egen højde.

https://www.youtube.com/watch?v=XtZSv7ZcoxY

SES-led

Videnskabsmændene havde tillid til edderkop-inspirerede elektrohydrauliske blødt-aktuerede led, eller SES-led, for at opnå høj ydelse i robotterne. Ledene kan konfigureres på forskellige måder, selv uden for en edderkop-robot.

Forskningspapiret beskriver en tovejs-led, en multi-segmenteret kunstig lem, og en tre-fingeret griber, der kan bruges til at gribe og løfte genstande. Alle disse skabeloner har lignende træk. De er letvægtssimple, viser høj ydelse og er nyttige til robot-systemer, der kræver hurtig bevægelse og interagerer med forskellige miljøer.

SES-ledene var baseret på HASEL-teknologien, som tidligere var opfundet af holdet til at bygge kunstig muskel. SES-ledene efterligner en eksoskelet-mekanisme, der har både stive og bløde elementer, ligesom en edderkop udvider sine ben gennem hydrauliske kræfter.

Udvikling af edderkop-inspirerede robotter

Videnskabsmændene skabte først en fleksibel pung af tynde plastikfilm, der var fyldt med en flydende dielektrikum. Elektroder blev derefter placeret på hver side af pungen, og pungen fungerede som aktuatorer, med den hydrauliske kraft genereret gennem elektrostatisk kraft.

Pungen er forbundet til et roterende led, og når en høj spænding anvendes mellem elektroderne, flytter den flydende dielektrikum sig inde i pungen, og leddet bøjer. SES-led kan rotere op til 70 grader, hvilket fører til høje drejningsmomenter, og de kan let vende tilbage til startpositionen.

Christoph Keplinger er direktør for afdelingen for robotiske materialer ved Max Planck-instituttet for intelligente systemer.

”SES-ledene er meget simple og letvægtssimple, da der ikke er nogen perifere komponenter, der vægter robotten ned,” siger Keplinger. ”Mange anvendelser for bløde robotter kræver fleksible aktuatorer. Disse edderkop-inspirerede led tillader høj funktionalitet og forbruger kun lidt strøm, de er lette og billige at lave – plastikken, vi bruger, er til madpakning – og deres produktion er let skalerbar. Disse egenskaber er afgørende for designet af robotter, der kan bevæge sig på mange forskellige måder og manipulere en række genstande uden at knuse dem.”

Videnskabsmændene demonstrerede fleksibiliteten af SES-ledene gennem anvendelsen af en tre-fingeret griber. Hvis griberen havde afhængt af en muskel-lignende struktur, ville den have været blokeret, når den forsøgte at gribe en genstand. Men med SES-ledene som hængsler, kræves der mindre plads.

Nicholas Kellaris er første forfatter på papiret.

”Forskningen adskiller sig, fordi vi kan bruge en bred vifte af materialer, selv plastikken, der bruges til at lave chips-pose, til at skabe pungen,” siger Kellaris. ”På den måde kan vi implementere SES i en bred vifte af geometrier med specifikt afstemte aktueringskarakteristika.”

Phillip Rothemund er anden forfatter på publikationen.

”Det ultimative mål for vores forskning var ikke at lave en edderkop-robot,” tilføjer Rothemund. ”Vi ville udvikle en state-of-the-art, aktiv led, som man kan sætte i enhver type robot.”