Tutkijat luovat kevyitä, hämähäkkien nivelten innoittamia roboteja

Saksan Max Planck -instituutissa älymäärystelmien parissa työskentelevät tutkijat sekä Yhdysvalloissa Coloradon yliopistossa työskentelevät tutkijat ovat kehittäneet uusia kevyitä roboteja hyödyntämällä hämähäkkien niveliin liittyviä periaatteita.

Tutkimus, jonka otsikko on ”Hämähäkkien inspiroimat sähköhydraulinen aktuaattorit nopeille, pehmeästi toimiville nivelsolmille”, on julkaistu Advanced Science -julkaisussa.

Hämähäkit ovat usein inspiroivia olentoja robotiikan alalla, etenkin kun ne liikuttavat raajansa hydraulinen aktuaatiomekanismeja metsästäessään saalista, ja tutkijat yrittävät toteuttaa näitä mekanismeja roboteissa.

Käyttämällä näitä periaatteita tutkijaryhmä pystyi ohjaamaan nivellettäviä roboteja ilman massiivisia komponentteja ja liittimiä, mikä auttaa välttämään robotin painon lisääntymisen ja parantaa siirrettävyyttä ja nopeutta.

Rakenteen kevyen ja yksinkertaisen rakenteen ansiosta robotti pystyy hyppäämään 10 kertaa oman korkeutensa yli.

https://www.youtube.com/watch?v=XtZSv7ZcoxY

SES-nivelten

Tutkijat luottivat Hämähäkkien inspiroimiin sähköhydraulisiin pehmeästi toimiviin nivelsolmiin, eli SES-nivelsolmuun, saavuttaakseen korkean suorituskyvyn roboteissa. Nivelten asettelu voidaan määritellä monin eri tavoilla, jopa araknobotin ulkopuolella.

Tutkimusraportti esittelee kaksisuuntaisen nivelen, moniosaisen keinotekoisen raajan ja kolmisen sormen otevälineen, jota voidaan käyttää esineiden tarttumiseen ja nostamiseen. Kaikissa luoduissa rakenteissa on samankaltaisia piirteitä: ne ovat kevyitä, yksinkertaisia ja tarjoavat korkean suorituskyvyn, mikä tekee niistä hyödyllisiä robotti-järjestelmissä, jotka vaativat nopeaa liikettä ja vuorovaikutusta eri ympäristöjen kanssa.

SES-nivelten perustuvat aiemmin kehitettyyn HASEL-tekniikkaan, jota käytettiin keinotekoisen lihaksen rakentamiseen. SES-nivelten toimintaperiaate muistuttaa eksoskeletonin mekanismia, jossa on sekä jäykkiä että pehmeämpiä osia, samoin kuin hämähäkin jalkojen laajentuminen hydraulisten voimien avulla.

Hämähäkkien inspiroimien robotien kehittäminen

Tutkijat loivat ensin ohuen, nestemäisen dielektrisen materiaalilla täytetyn muovipussin, johon asennettiin sähköä johtavat elektrodit. Pussit toimivat aktuaattoreina, ja hydraulinen voima tuotettiin elektrostaattisten voimien avulla.

Pussi on yhdistetty nivelakseliin, ja kun korkea jännite käytetään elektrodeja vastaan, nestemäinen dielektrinen aine siirtyy pussin sisällä ja nivelsolmu taipuu. SES-nivelten voi kääntyä jopa 70 asteen verran, mikä johtaa korkeisiin vääntöihin, ja ne voidaan palauttaa helposti takaisin aloitusasentoon.

Christoph Keplinger on Robotti-materiaaliosaston johtaja Max Planck -instituutissa älymäärystelmien parissa.

”SES-nivelten ovat erittäin yksinkertaisia ja kevyitä, koska niissä ei ole lisäkomponentteja, jotka painoittaisivat robottia”, Keplinger sanoo. ”Monet pehmeiden robotien sovellukset vaativat monipuolisia aktuaattoreita. Nämä hämähäkkien inspiroimat nivelten toimintaperiaatteet mahdollistavat korkean suorituskyvyn ja kuluttavat vain vähän energiaa, ne ovat helppoja ja halpoja valmistaa – käytämme muovia, jota käytetään elintarvikkeiden pakkaamiseen – ja niiden tuotanto on helposti skaalattavissa. Nämä ovat kaikki ominaisuuksia, jotka ovat kriittisiä robottien suunnittelussa, jotka voivat liikkua monin eri tavoilla ja käsittely useita esineitä rikkomatta niitä.”

Tutkijat osoittivat SES-nivelsolmujen monipuolisuuden soveltamalla niitä kolmisen sormen otevälineessä. Jos otevälineessä olisi käytetty lihasmaista rakennetta, se olisi estänyt esineen tarttumisen. SES-nivelsolmujen ansiosta vähemmän tilaa tarvitaan.

Nicholas Kellaris on tutkimusartikkelin ensisijainen tekijä.

”Tutkimus erottuu siinä, että voimme käyttää laajaa valikoimaa materiaaleja, jopa muovia, jota käytetään chips-pusseissa, pussien valmistamiseen”, Kellaris sanoo. ”Tällöin voimme toteuttaa SES:ää laajassa valikoimassa geometrioita, joissa on erityisesti sääteltyä toimintaa.”

Phillip Rothemund on julkaisun toinen tekijä.

”Tutkimuksen lopullinen tavoite ei ollut luoda hämähäkkirobotti”, Rothemund lisää. ”Halusimme kehittää korkean suorituskyvyn omaavan aktiivisen nivelsolmun, jonka voisi asentaa mihin tahansa robottiin.”