Forscher entwickeln neue Steuersysteme für weiche Roboter

Ein Team von Robotik-Forschern, Ingenieuren und Materialwissenschaftlern von der Rice University und der Harvard University hat analoge und luftgesteuerte Steuersystem-Optionen für weiche Roboter demonstriert. Das Team zeigte, dass es möglich ist, programmierbare, nicht-elektronische Schaltkreise zu entwickeln, um die Aktionen von weichen Robotern zu steuern. Diese Schaltkreise funktionieren, indem sie Informationen verarbeiten, die in Bursts von komprimierter Luft kodiert sind.

Die Forschung wurde in den Proceedings of the National Academy of Sciences veröffentlicht.

Erstellung des Steuersystems

Colter Decker ist der erste Autor der Studie und ein Student an der Rice University.

“Ein Teil der Schönheit dieses Systems ist, dass wir die Rechnung wirklich auf ihre grundlegenden Komponenten reduzieren können”, sagte Decker.

Er sagte auch, dass elektronische Steuersysteme über Jahrzehnte hinweg verfeinert wurden und dass durch die Neuschaffung von Computer-Schaltkreisen “mit Analogien zu Druck und Flussrate anstelle von Spannung und Strom” es einfacher ist, pneumatische Rechnung zu integrieren.

Decker erstellte das weiche robotische Steuersystem hauptsächlich aus alltäglichen Materialien, wie Plastikstrohhalmen und Gummibändern. In den Experimenten demonstrierte das System luftgesteuerte Logikgatter, die so konfiguriert werden konnten, dass sie Operationen ausführten, die als Boolesche Funktionen bezeichnet werden, die für die moderne Rechnung von entscheidender Bedeutung sind.

“Das Ziel war nie, elektronische Computer vollständig zu ersetzen”, sagte Decker.

In vielen Fällen müssen weiche Roboter oder Wearables nur für einige einfache Bewegungen programmiert werden. Was die neue Technologie betrifft, ist es möglich, dass sie “viel billiger und sicherer für die Verwendung und viel langlebiger” als traditionelle elektronische Steuerungen sein könnte.

Das neue Projekt war eine Zusammenarbeit zwischen mehreren Forschungsgruppen und insgesamt neun Co-Autoren.

Das Team erstellte zwei Komponenten. Die erste ist ein kolbenartiger Aktuator, der Luftdruck in mechanische Kraft übersetzt. Und die zweite ist ein Ventil, das ein- und ausgeschaltet werden kann. Die Komponenten wurden aus verschiedenen Teilen erstellt, einschließlich Plastikstrohhalmen, flexiblen Plastikschläuchen, Gummibändern, Pergamentpapier und Thermoplast-Polyurethan-Folien.

Kombinieren von Komponenten zu einem einzelnen Gerät

Die beiden Komponenten konnten zu einem einzelnen Gerät kombiniert werden, das ein bistabiles Ventil war, das wie ein Schalter funktionierte und Luftdruck als Eingabe und Ausgabe verwendete. Ein bestimmter Luftdruck führt dazu, dass der Schalter zwischen den beiden Zuständen umgeschaltet wird, und die Ventile wurden durch Gummibänder gehalten und durch Hinzufügen oder Entfernen von Gummibändern programmiert. Dies führte zu einer Änderung des erforderlichen Drucks für die Aktivierung.

Tests demonstrierten, dass die Schaltkreise verwendet werden konnten, um einen weichen, handförmigen Roboter, eine pneumatische Polsterung und einen schuhkastengroßen Roboter zu steuern, der eine vorprogrammierte Anzahl von Schritten ging, um ein Objekt zu holen.

Daniel Preston ist Assistant Professor für Maschinenbau an der Rice University und Co-Autor der Studie.

“Die größte Leistung in dieser Arbeit ist die Integration von digitaler und analoger Steuerung in der gleichen Systemarchitektur”, sagte Preston.

Mit beiden kann das pneumatische Steuersystem digital mit den “Einsen und Nullen, die man sich in einem traditionellen Computer vorstellt, programmiert werden. Aber wir können auch analoge Fähigkeiten hinzufügen, Dinge, die kontinuierlich sind.” Er fährt fort: “Das ermöglicht es uns, die gesamte Systemarchitektur wirklich zu vereinfachen und neue Fähigkeiten zu erreichen, die in vorherigen Arbeiten nicht zugänglich waren.”