Luftgesteuertes Computer-Speicher kann weiche Roboterbewegungen steuern

Ingenieure an der University of California – Riverside haben ein luftgesteuertes Computer-Speicher entwickelt, das die Bewegungen von weichen Robotern steuern kann. Das neue System löst eines der größten Probleme in der weichen Robotik, nämlich die Diskrepanz zwischen Pneumatik und Elektronik.

Die Forschung wurde in PLOS Oneveröffentlicht.

Druckluft wird verwendet, um die weichen, gummiartigen Glieder und Greifer von pneumatischen weichen Robotern zu bewegen, die besser darin sind, empfindliche Aufgaben auszuführen als traditionelle starre Roboter. Gleichzeitig sind sie auch sicherer.

Die bestehenden Systeme, die zur Steuerung von pneumatischen weichen Robotern verwendet werden, verlassen sich auf elektronische Ventile und Computer, um die Position der beweglichen Teile des Roboters aufrechtzuerhalten. Allerdings erhöhen elektronische Teile die Kosten, Größe und Leistungsanforderungen solcher Roboter.

Das Team wurde von dem Bioingenieur-Doktoranden Shane Hoan, dem Bioingenieur-Professor William Grover, dem Informatik-Professor Phillip Brisk und dem Maschinenbau-Professor Konstantinos Karydis geleitet. Das Team ließ sich von der Vergangenheit inspirieren, um das Feld der weichen Robotik voranzutreiben.

“Pneumatische Logik” wurde einst verwendet, um verschiedene Produkte wie Thermostate und Klimaanlagen in den frühen 1990er Jahren zu steuern. Sie verlässt sich auf Luft anstelle von Elektrizität, und die Luft fließt durch Schaltkreise oder Kanäle. Luftdruck wird auch verwendet, um ein/aus oder wahr/falsch darzustellen, und in modernen Computern wird dies durch 1 und 0 in Code dargestellt, was dann elektrische Ladungen steuern kann.

Pneumatische weiche Roboter müssen die Positionen ihrer beweglichen Teile merken und aufrechterhalten, daher machten sich die Forscher daran, eine pneumatische Logik-“Speicher” zu entwickeln, die den Bedarf an dem derzeit verwendeten elektronischen Speicher eliminieren könnte.

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Erstellung des pneumatischen Random-Access-Speichers

Das Team erstellte seinen pneumatischen Random-Access-Speicher, oder RAM, Chip, indem es Mikrofluidik-Ventile anstelle von elektronischen Transistoren verwendete. Ursprünglich zur Steuerung des Flüssigkeitsflusses auf Mikrofluidik-Chips konzipiert, können die Mikrofluidik-Ventile auch den Luftfluss steuern. Die Ventile sind gegen einen Druckunterschied abgedichtet, und dies gilt auch, wenn sie nicht an eine Druckluftleitung angeschlossen sind. Dieses System erzeugt eingeschlossene Druckunterschiede, die als Speicher dienen und die Zustände der Aktuatoren eines Roboters aufrechterhalten können.

Durch die Verwendung von dichten Ventil-Arrays können die Roboterbewegungen fortgeschrittene Operationen ausführen und gleichzeitig den Bedarf an teuren, sperrigen und leistungshungrigen elektronischen Hardware reduzieren.

Das Team modifizierte die Mikrofluidik-Ventile zunächst so, dass sie größere Luftflussraten bewältigen konnten. Dann produzierten sie einen 8-Bit-pneumatischen RAM-Chip, der in der Lage war, größere und schnellere weiche Roboter zu steuern, bevor sie ihn in 3D-gedruckte Gummihände integrierten.

Der pneumatische RAM verlässt sich auf atmosphärischen Druck, um einen “0”- oder FALSCH-Wert darzustellen, und Vakuum wird verwendet, um einen “1”- oder WAHR-Wert darzustellen. Wenn er mit atmosphärischem Druck verbunden ist, erstrecken sich die weichen Roboterfinger, und wenn er mit Vakuum verbunden ist, ziehen sie sich zurück.

Die Forscher konnten die Kombinationen von atmosphärischem Druck und Vakuum in den Kanälen auf dem RAM-Chip variieren, um den Roboter Noten, Akkorde und schließlich ein ganzes Lied auf einem Klavier spielen zu lassen.

Laut dem Team könnte dieses System theoretisch verwendet werden, um andere Roboter ohne die Notwendigkeit von elektronischer Hardware zu betreiben. Es benötigt nur eine batteriebetriebene Pumpe, um ein Vakuum zu erzeugen.

Es besteht auch kein Risiko eines unbeabsichtigten Überdrucks und eines Robot- und Steuersystemversagens dank des Fehlens von positivem Druck im System. Dies bedeutet, dass diese Roboter um einiges sicherer im Umgang mit Menschen sind, so dass sie als tragbare Geräte verwendet werden könnten.