Μηχανικοί Αναπτύσσουν Ρομποτικό Σύστημα Χωρίς Ηλεκτρονικά για την Παρακολούθηση των Υδατικών Συνθηκών

Μια ομάδα μηχανικών στο Πανεπιστήμιο Duke έχει αναπτύξει ένα νέο ρομποτικό σύστημα χωρίς ηλεκτρονικά, που μπορεί να παίξει σημαντικό ρόλο στην παρακολούθηση των περιβαλλοντικών συνθηκών στο μέλλον. Το ρομποτικό σύστημα έχει σχήμα λιβελούδας και μπορεί να διασχίζει το νερό ενώ αντιδρά σε περιβαλλοντικές συνθήκες όπως το pH, η θερμοκρασία και η παρουσία πετρελαίου.

Η νέα απόδειξη αρχής παρουσιάστηκε στο περιοδικό Advanced Intelligent Systems στις 25 Μαρτίου.

Τα μαλακά ρομποτικά συστήματα συνεχίζουν να εξελίσσονται και να βελτιώνονται, και αυξάνουν τη σημασία τους λόγω της ευελιξίας τους. Είναι ικανά να χειρίζονται ευαίσθητα αντικείμενα όπως τα βιολογικά ιστία, και μπορούν να ταιριάζουν σε στενότερους χώρους σε σύγκριση με άλλα σκληρά ρομποτικά συστήματα.

Ο Shyni Varghee, ο υπεύθυνος για την ιδέα, είναι καθηγητής βιοϊατρικής μηχανικής, μηχανικής και επιστήμης υλικών, και ορθοπεδικής χειρουργικής στο Duke.

Ο Vardham Kumas είναι φοιτητής διδακτορικού στο εργαστήριο του Varghese και πρώτος συγγραφέας του εγγράφου.

«Λάβαμε ένα email από τον Shyni από το αεροδρόμιο λέγοντας ότι είχε μια ιδέα για ένα μαλακό ρομποτικό σύστημα που χρησιμοποιεί ένα αυτο-ιαματικό υδρογέλ που η ομάδα του είχε εφεύρει στο παρελθόν για να αντιδράσει και να κινηθεί αυτόνομα», είπε ο Kumar. «Αλλά αυτό ήταν το σύνολο του email, και δεν άκουσα ξανά από αυτόν για ημέρες. Έτσι, η ιδέα έμεινε σε αναμονή για λίγο μέχρι να έχω αρκετό ελεύθερο χρόνο για να την αναπτύξω, και ο Shyni είπε να το κάνω».

Αυτο-Ιαματικό Υδρογέλ

Το 2012, το εργαστήριο του Varghese ανέπτυξε ένα αυτο-ιαματικό υδρογέλ που μπορεί να αντιδράσει σε αλλαγές του pH σε λίγα δευτερόλεπτα. Μια αλλαγή στη οξύτητα προκαλεί τη δημιουργία νέων δεσμών στο υδρογέλ, και αυτό μπορεί να αναστραφεί όταν το pH επιστρέψει στο αρχικό επίπεδο.

Μέρος της νέας ιδέας του Varghese ήταν να χρησιμοποιήσει το υδρογέλ σε ένα μαλακό ρομποτικό σύστημα για να το ermögείσει να διασχίζει το νερό ενώ ανιχνεύει αλλαγές του pH σε διαφορετικές θέσεις. Ψάχθηκε για einen τρόπο για το εργαστήριο να αναπτύξει αυτό το είδος ρομποτικού συστήματος που λειτουργεί σαν αυτόνομο περιβαλλοντικό αισθητήρα.

Συνεργάστηκε με τον Ung Hyun Ko, έναν μεταδιδακτορικό ερευνητή στο εργαστήριο του Varghese, ο Kumar σχεδίασε ένα μαλακό ρομποτικό σύστημα βασισμένο σε μια μύγα. Μετά από πολλές προσπάθειες, η ομάδα αποφάσισε να χρησιμοποιήσει το σχήμα μιας λιβελούδας, και αυτό σχεδιάστηκε με ένα δίκτυο εσωτερικών μικροκανάλων που του επιτρέπουν να ελέγχονται από την αεροπίεση.

Το σώμα του μαλακού ρομποτικού συστήματος είναι περίπου 2,25 ίντσες μακρύ, και η διάμετρος των πτερύγων του είναι 1,4 ίντσες. Δημιουργήθηκε με την εκχύλιση σιλικόνης σε ένα αλουμινένιο καλούπι πριν από το ψήσιμο. Η μαλακή λιθография χρησιμοποιήθηκε για να δημιουργηθούν εσωτερικοί канάλες που συνδέονται με σιλικόνη σωλήνες.

https://www.youtube.com/watch?v=bTjZQMvagJ8&t=2s

DraBot

Το αποτέλεσμα του μαλακού ρομποτικού συστήματος ονομάστηκε DraBot.

«Η λήψη του DraBot για να ανταποκριθεί στην αεροπίεση ελέγχου σε μεγάλες αποστάσεις χρησιμοποιώντας μόνο αυτο-δραστηριότητες χωρίς ηλεκτρονικά ήταν δύσκολη», είπε ο Ko. «Αυτό ήταν σίγουρα το πιο δύσκολο μέρος».

Το DraBot ελέγχει την αεροπίεση που εισέρχεται στα πτερύγια του, και οι μικροκανάλες μεταφέρουν την αεροπίεση στα μπροστινά πτερύγια. Έπειτα, εξέρχεται από οπές που είναι κατευθυνμένες απευθείας στα πίσω πτερύγια. Το DraBot δεν θα κινηθεί αν η αεροπίεση μπλοκαριστεί και από τα δύο πίσω πτερύγια. Ωστόσο, αν και τα δύο πτερύγια είναι πάνω, κινείται προς τα εμπρός.

Η ομάδα ανέπτυξε επίσης βαλβίδες ελέγχου για να δώσει περισσότερο έλεγχο, και βρίσκονται κάτω από κάθε πίσω πτέρυγα κοντά στο σώμα του ρομποτικού. Όταν αυτές οι βαλβίδες φουσκώνουν, το πτέρυγα καμπυλώνει προς τα πάνω, και οι ερευνητές μπορούν να ελέγχουν πού πάει το ρομποτικό σύστημα με την αλλαγή των πτερύγων που είναι πάνω ή κάτω.

«Ηταν χαρούμενοι όταν μπορέσαμε να ελέγξουμε το DraBot, αλλά αυτό βασίζεται σε ζωντανούς οργανισμούς», είπε ο Kumar. «Και οι ζωντανοί οργανισμοί δεν κινούνται μόνο αυτόνομα, αντιδρούν στο περιβάλλον τους».

Η ομάδα χρησιμοποίησε το αυτο-ιαματικό υδρογέλ ζωγραφίζοντας ένα σετ πτερύγων με αυτό, το οποίο έκανε το DraBot να ανταποκρίνεται σε αλλαγές του pH του νερού. Αν είναι πολύ οξύ, το μπροστινό πτέρυγα του ενός πλευράς συνδέεται με το πίσω πτέρυγα, khiến το ρομποτικό σύστημα να περιστρέφεται σε κύκλο αντί να κινείται ευθύγραμμα. Όταν το pH επιστρέψει στο φυσιολογικό επίπεδο, το υδρογέλ αναστρέφεται και τα πτερύγια ξαναχωρίζουν, επιτρέποντας στο DraBot να γίνει πάλι πλήρως ανταποκριτικό στις εντολές.

Οι ερευνητές πρόσθεσαν επίσης υλικά που ανταποκρίνονται στη θερμοκρασία, τα οποία επιτρέπουν στο DraBot να διασχίζει το νερό και να απορροφά πετρέλαιο με σφουγγάρια. Το χρώμα των σφουγγαριών αλλάζει ανάλογα με το χρώμα του πετρελαίου, και όταν το νερό είναι πολύ ζεστό, τα πτερύγια του ρομποτικού συστήματος αλλάζουν χρώμα επίσης.

Οι νέες εξελίξεις θα μπορούσαν να βοηθήσουν στην καταπολέμηση των περιβαλλοντικών προβλημάτων στο μέλλον. Για παράδειγμα, ένα τέτοιο ρομποτικό σύστημα θα μπορούσε να ανιχνεύσει την οξίνιση του γλυκού νερού, η οποία επηρεάζει διάφορες γεωλογικά ευαίσθητες περιοχές. Θα μπορούσε επίσης να βοηθήσει στην ανίχνευση των διαρροών πετρελαίου νωρίς ή στην ανίχνευση των πρώτων σημάτων της ερυθράς παλίρροιας και της αποχρωμάτωσης των κοραλλιών.