Ilmavoimalla toimiva tietokoneen muisti voi ohjata pehmeiden robottien liikkeitä

Kalifornian yliopiston insinöörit ovat kehittäneet ilmavoimalla toimivan tietokoneen muistin, joka voi auttaa ohjaamaan pehmeiden robottien liikkeitä. Uusi järjestelmä ratkaisee yhden suurimman haasteen pehmeässä robotiikassa, joka on ilmanpaineen ja elektronisen järjestelmän välinen epäsopivuus.

Tutkimus julkaistiin PLOS One-julkaisussa.

Paineistettua ilmaa käytetään pehmeiden, kumisten raajojen ja otteiden liikuttamiseen pneumaattisissa pehmeissä robooteissa, jotka ovat parempia hienojen tehtävien suorittamisessa kuin perinteiset jäykät robotit. Samalla ne ovat myös turvallisempia.

Olemassa olevat järjestelmät, jotka ohjaavat pneumaattisia pehmeitä roboteja, riippuvat elektronisista venttiileistä ja tietokoneista, jotka ylläpitävät robotin liikkuvien osien asentoa. Elektroniset osat kuitenkin lisäävät robottien kustannuksia, kokoa ja virrankäyttöä.

Tutkimusryhmää johti bioinsinööritutkija Shane Hoan, bioinsinööriprofessori William Grover, tietojenkäsittelytieteen professori Phillip Brisk ja mekaniikan professori Konstantinos Karydis. Ryhmä sai inspiraation menneisyydestä edistääkseen pehmeän robotiikan alaa.

“Pneumaattinen logiikka” käytettiin aikaisemmin erilaisten tuotteiden, kuten termostaattien ja ilmastointijärjestelmien, ohjaamiseen 1990-luvun alussa. Se perustuu ilman käyttöön sähköisen virran sijaan, ja ilma virtaa piireissä tai kanavissa. Ilmanpaine käytetään myös edustamaan päälle/pois- tai tosi/epätosi-arvoja, ja nykyisissä tietokoneissa tämä edustetaan 1 ja 0 -koodeina, jotka voivat ohjata sähköisiä latauksia.

Pneumaattiset pehmeät robotit tarvitsevat muistia, jotta ne voivat muistaa ja ylläpitää liikkuvien osien asentoja, joten tutkijat kehittivät pneumaattisen logiikan “muisti”-järjestelmän, joka voisi poistaa tarpeen nykyisesti käytetyille elektronisille muisteille.

https://www.youtube.com/watch?v=FnG7ApR5GS0

Pneumaattisen satunnaislukumuistin luominen

Tutkijaryhmä loi pneumaattisen satunnaislukumuistin eli RAM-muistin käyttämällä mikrofluidisia venttiilejä sijaan elektronisista transistorien. Alun perin suunniteltu ohjaamaan nesteen virtausta mikrofluidisilla piireillä, mikrofluidiset venttiilit pystyvät myös ohjaamaan ilman virtausta. Venttiilit ovat tiivisteessä paine-eron kanssa, ja tämä on totta, vaikka ne ovat irrotettuina ilman syöttölinjasta. Tämä järjestelmä luo loukkuun jääneitä paine-eroja, jotka toimivat muistina ja voivat ylläpitää robotin toimilaitteiden tiloja.

Tukeutumalla näihin tiheisiin venttiiliryhmiin robottien liikkeet voivat suorittaa edistyneitä toimintoja. Samalla ne vähentävät kalliiden, kömpelöiden ja virrankäyttöä vaativien elektronisten laitteiden tarvetta.

Tutkijat muunsivat ensin mikrofluidiset venttiilit siten, että ne voivat käsitellä suurempia ilmavirtauksia. Sitten he tuottivat 8-bittisen pneumaattisen RAM-muistipiirin, joka pystyi ohjaamaan suurempia ja nopeampia pehmeitä roboteja ennen kuin he integroivat sen 3D-tulostettuihin kumikäsisiin.

Pneumaattinen RAM-muisti perustuu ilmanpaineeseen, joka edustaa “0” tai EPÄTOSI-arvoa, ja imurointiin, joka edustaa “1” tai TOSI-arvoa. Kun robotti on yhdistetty ilmanpaineeseen, pehmeät robotti-sormet laajenevat, ja kun se on yhdistetty imurointiin, ne supistuvat.

Tutkijat pystyivät muuttamaan ilmanpaineen ja imuroinnin yhdistelmiä RAM-muistipiirin kanavissa, jotta robotti voisi soittaa nuotteja, sointuja ja lopulta koko kappaleen pianolla.

Tutkijaryhmän mukaan tämä järjestelmä voisi teoriassa käyttää muita roboteja ilman elektronisen laitteiston tarvetta. Se vaatii vain paristokäyttöisen pumppua luodakseen imuroinnin.

Samalla ei ole vaaraa vahingollisesta ylipaineistumisesta ja robotti- ja ohjausjärjestelmän viasta pneumaattisen järjestelmän positiivisen paineen puutteen vuoksi. Tämä tarkoittaa, että nämä robotit ovat paljon turvallisempia ihmisten ympärillä, joten niitä voidaan käyttää myös wearable-laitteina.