Origami-Strukturen ermöglichen anpassbare Steifigkeit in Robotern

Neue Forschungsergebnisse der Arizona State University zeigen, wie gekrümmte Origami-Strukturen zu einstellbarer Flexibilität in Robotern führen können. Einstellbare Flexibilität ermöglicht es einem Roboter, seine Steifigkeit je nach Aufgabe anzupassen, was in der Vergangenheit mit einfachen Designs schwierig zu implementieren war.

Hanqing Jiang ist Professor für Maschinenbau an der Universität und Hauptautor des Artikels mit dem Titel “In Situ-Stiffness-Manipulation unter Verwendung von eleganten gekrümmten Origami”. Die Arbeit wurde in Science Advances veröffentlicht.

“Die Einbeziehung gekrümmter Origami-Strukturen in die Roboter-Entwicklung bietet eine bemerkenswerte Möglichkeit für einstellbare Flexibilität oder Steifigkeit, als ihr komplementäres Konzept”, sagte Jiang. “Hohe Flexibilität oder geringe Steifigkeit ist vergleichbar mit der weichen Landung, die eine Katze navigiert. Geringe Flexibilität oder hohe Steifigkeit ist ähnlich wie die Ausführung eines harten Sprungs in einem Paar steifer Stiefel.”

Operativer Unterschied

Jiang verglich den operativen Unterschied, den gekrümmte Origami bieten, mit dem Unterschied zwischen Sportwagen und mehr komfortorientierten Fahrzeugen.

“Ähnlich wie das Umschalten zwischen einem sportlichen Fahrmodus und einem komfortablen Fahrmodus bieten diese gekrümmten Origami-Strukturen die Möglichkeit, zwischen weichen und harten Modus umzuschalten, abhängig von der Interaktion des Roboters mit der Umgebung”, sagte er.

Im Bereich der Robotik gibt es verschiedene Steifigkeitsmodi, wie z.B. hohe Steifigkeit, die für das Heben schwerer Lasten erforderlich ist. Hohe Flexibilität wird für die Aufnahme von Aufprallkräften benötigt, und negative Steifigkeit, die die Fähigkeit besitzt, gespeicherte Energie wie eine Feder freizusetzen, wird für das Sprinten verwendet.

Flexibilität auf Abruf

Für Roboter, die Steifigkeit erfordern, sind sie oft sperrig. Allerdings ermöglichen gekrümmte Origami-Strukturen es ihnen, auf einer erweiterten Steifigkeitsskala zu operieren, was Flexibilität auf Abruf bedeutet.

Die Forschung des Teams konzentrierte sich auf die Kombination der Faltenenergie an Origami-Falten mit der Plattenbiegung, die durch das Bewegen entlang mehrerer Falten zwischen zwei Punkten justiert wird. Mit gekrümmten Origami-Strukturen ist ein einzelner Roboter in der Lage, verschiedene Bewegungen auszuführen. Zum Beispiel entwickelte das Team einen Schwimmroboter, der neun verschiedene Bewegungen ausführen kann, wie z.B. schnell, langsam, mittel, linear und rotierend. Um eine dieser Bewegungen auszuführen, müssen die Falten einfach justiert werden.

Außerhalb der Robotik könnten die in der Forschung erläuterten Prinzipien dazu beitragen, mechanische Metamaterialien in den Bereichen Elektromagnetismus, Automobile und Luft- und Raumfahrt zu entwerfen. Sie könnten auch nützlich bei der Erstellung von biomedizinischen Geräten sein.

“Die Schönheit dieser Arbeit liegt darin, dass das Design gekrümmter Falten und jede gekrümmte Falte einer bestimmten Flexibilität entspricht”, sagte Jiang.

Andere Mitautoren der Forschung sind Hanqing Jiang, Zirui Zhai und Lingling Wu von der School for Engineering.