Insinöörit kehittivät elektroniikkaa vailla olevan robotin, joka voi seurata vesiolosuhteita

Duke Universityn insinööritiimi on kehittänyt uuden elektroniikkaa vailla olevan, pehmeän robotin, joka voi tulevaisuudessa vaikuttaa ympäristön seurantaan. Robotti on muodoltaan kuin sudenkorento, ja se voi liukua veden pinnalla reagoimalla ympäristöolosuhteisiin, kuten pH:aan, lämpötilaan ja öljyn läsnäoloon.

Uusi periaate todistettiin 25. maaliskuuta julkaisussa Advanced Intelligent Systems .

Pehmeät robotit jatkavat kehittymistään ja parantumista, ja ne kasvavat tärkeydessään monipuolisuutensa ansiosta. Ne pystyvät käsittelemään herkkästi esimerkiksi biologisia kudoksia, ja ne mahtuvat tiukempiin tiloihin verrattuna muihin jäykkiin robottiin.

Shyni Varghee, joka oli idean takana, on Duke Universityn lääketieteellisen insinöörityön, mekaniikan ja materiaalitieteen sekä ortopedian professori.

Vardham Kumas on tohtorikoulutettava Varghese:n laboratoriossa ja tutkimuksen ensisijainen tekijä.

”Sain Shyniltä sähköpostin lentokentältä, jossa hänellä oli idea pehmeästä robotista, joka käyttää itsestään parantuvaa hydrogeeliä, jonka ryhmänsä oli keksinyt aiemmin, reagoidakseen ja liikkumassa autonomisesti”, Kumar kertoi. ”Mutta se oli sähköpostin sisältö, ja en kuullut hänestä mitään päiviin. Joten idea jäi jonkinlaiseen limboon, kunnes minulla oli tarpeeksi vapaa-aikaa sen toteuttamiseen, ja Shyni sanoi vain ”mene ja tee se”.

Itsestään parantuva hydrogeeli

Vuonna 2012 Varghese:n laboratorio kehitti itsestään parantuvan hydrogeelin, joka pystyy reagoimaan muutoksiin pH:ssa vain sekunneissa. Happamuuden muutos aiheuttaa uusien sidosten muodostumisen hydrogeelissä, ja tämä voidaan kääntää, kun pH palautuu alkuperäiseen tasoon.

Osa Varghese:n uudesta ideasta oli käyttää hydrogeeliä pehmeässä robotissa, jotta se pystyisi liikkumaan veden pinnalla ja havaitsemaan pH:n muutoksia eri paikoissa. Hän etsi keinoa laboratoriolle kehittää tällainen robotti, joka toimii autonomisena ympäristön anturina.

Yhdessä Ung Hyun Kon, Varghese:n laboratorion post doc -tutkijan kanssa, Kumar suunnitteli pehmeän robotin perustuen kärpäseen. Useiden yritysten jälkeen tiimi päätti dragonfly:n muodosta, ja se suunniteltiin sisäisellä mikrokanavaverkolla, jota voidaan ohjata ilmanpainella.

Pehmeän robotin runko on noin 2,25 tuumaa pitkä, ja siipien kärkiväli on 1,4 tuumaa. Se valmistettiin kaatamalla silikonia alumiinivaluraudan muottiin ennen kuin se paistettiin. Pehmeä litografiaa käytettiin sisäisten kanavien luomiseen, jotka yhdistettiin silikooniputkilla.

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

DraBot

Tuloksena oleva pehmeä robotti nimettiin DraBotiksi.

”DraBotin saaminen reagoimaan ilmanpaineen ohjaukseen pitkien etäisyyksien yli pelkästään itseaktuaattorien avulla ilman elektroniikkaa oli haasteellista”, Ko sanoi. ”Se oli selvästi haasteellisin osa.”

DraBot ohjaa ilmanpainetta, joka tulee siipiin, ja mikrokanavat kuljettavat ilmaa etusiipiin. Se pakenee reikiä, jotka osoittavat suoraan takaosiipiin. DraBot ei liiku, jos ilmavirtaus on estetty molempien takaosiipien ollessa alhaalla. Mutta jos molemmat siivet ovat ylhäällä, se liikkuu eteenpäin.

Tutkijat kehittivät myös ilmapallotekijöitä, jotka antavat enemmän ohjattavuutta, ja ne sijaitsevat kunkin takaosiiven alla lähellä robotin runkoa. Kun nämä ilmapallot täytetään, siipi kaartuu ylöspäin, ja tutkijat voivat ohjata, mihin robotti menee muuttamalla, mitkä siivet ovat ylhäällä tai alhaalla.

”Olimme iloisia, kun pystyimme ohjaamaan DraBotia, mutta se perustuu eläviin olentoihin”, Kumar sanoi. ”Ja elävät olennot eivät liiku yksin, ne reagoivat ympäristöönsä.”

Tutkijat käyttivät itsestään parantuvaa hydrogeeliä maalaamalla yhden siipiparin, mikä teki DraBotista herkkän pH:n muutoksille. Jos se on liian happamoa, yhden siiven etuosa sulautuu takaosaan, aiheuttaen robotin pyörimisen ympyrää sen sijaan, että se liikkuisi suoraan. Kun pH palautuu normaaliin tasoon, hydrogen palautuu, ja siivet erottuvat jälleen, jolloin DraBotista tulee täysin vastaanottavissa ohjaukseen.

Tutkijat lisäsivät myös lämpötilan mukautuvia materiaaleja, mikä mahdollistaa DraBotin liukumisen veden pinnalla ja öljyn imeytymisen sienillä. Sienien väri muuttuu öljyn värin mukaan, ja kun vesi on liian lämmin, robotin siivet muuttavat väriä.

Uudet kehitysaskeleet voivat auttaa taistelussa ympäristöongelmia vastaan tulevaisuudessa. Esimerkiksi tällainen robotti voi havaita makean veden happamoitumisen, joka vaikuttaa moniin geologisesti herkkästi alueisiin. Se voi myös auttaa havaitsemaan öljyntorjunnan varhaisessa vaiheessa tai havaita merenpunkeutumisen ja korallien vaalennuksen varhaisia merkkejä.