Luchtgestuurde computergeheugen kan zachte robotische bewegingen controleren

Engineers aan de University of California – Riverside hebben een luchtgestuurd computergeheugen ontwikkeld dat kan helpen bij het controleren van de bewegingen van zachte robots. Het nieuwe systeem lost een van de grootste uitdagingen in zachte robotica op, namelijk de mismatch tussen pneumatiek en elektronica.

Het onderzoek werd gepubliceerd in PLOS One.

Geperst lucht wordt gebruikt om de zachte, rubberen ledematen en grijpers van pneumatische zachte robots te bewegen, die beter zijn in het uitvoeren van delicate taken dan traditionele rigide robots. Tegelijkertijd zijn ze ook veiliger.

De bestaande systemen die worden gebruikt om pneumatische zachte robots te controleren, vertrouwen op elektronische kleppen en computers om de positie van de bewegende delen van de robot te behouden. Echter, elektronische onderdelen verhogen de kosten, de grootte en de energievraag van dergelijke robots.

Het team werd geleid door bio-engineering doctoraal student Shane Hoan, bio-engineering professor William Grover, computerwetenschap professor Phillip Brisk en mechanisch ingenieur professor Konstantinos Karydis. Het team haalde inspiratie uit het verleden om het veld van zachte robotica te verbeteren.

“Pneumatische logica” werd vroeger gebruikt om verschillende producten zoals thermostaten en klimaatbeheerssystemen te controleren in de vroege jaren 90. Het vertrouwt op lucht in plaats van elektriciteit, en de lucht stroomt door circuits of kanalen. Luchtdruk wordt ook gebruikt om aan/uit of waar/onwaar te vertegenwoordigen, en in moderne computers wordt dit vertegenwoordigd door 1 en 0 in code, die vervolgens elektrische ladingen kunnen controleren.

Pneumatische zachte robots moeten de posities van hun bewegende delen onthouden en behouden, dus de onderzoekers hebben zich gericht op het ontwikkelen van pneumatische logica “geheugen”, dat de noodzaak voor het elektronische geheugen dat momenteel wordt gebruikt, kan elimineren.

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

Het creëren van het pneumatische random-access geheugen

Het team heeft hun pneumatische random-access geheugen, of RAM, chip gemaakt door microfluidische kleppen te gebruiken in plaats van elektronische transistors. Oorspronkelijk ontworpen om de stroom van vloeistoffen op microfluidische chips te controleren, kunnen de microfluidische kleppen ook de luchtstroom controleren. De kleppen zijn afgesloten tegen een drukverschil, en dit is waar zelfs wanneer ze zijn losgekoppeld van een luchttoevoerlijn. Dit systeem creëert vastgezette drukverschillen, die als geheugens kunnen fungeren en de staten van een robot’s actuators kunnen behouden.

Door te vertrouwen op deze dichte arrays van kleppen, kunnen de robotische bewegingen geavanceerde operaties uitvoeren. Tegelijkertijd verminderen ze de noodzaak voor dure, omvangrijke en energievretende elektronische hardware.

Het team heeft eerst de microfluidische kleppen gemodificeerd zodat ze grotere luchtstroomtarieven konden verwerken. Ze hebben vervolgens een 8-bit pneumatisch RAM-chip geproduceerd dat in staat was om grotere en sneller bewegende zachte robots te controleren voordat ze het in 3D-geprinte rubberen handen integreerden.

Het pneumatische RAM vertrouwt op atmosferische-druklucht om een “0” of ONWAAR-waarde te vertegenwoordigen, en vacuüm wordt gebruikt om een “1” of WAAR-waarde te vertegenwoordigen. Wanneer verbonden met atmosferische druk, strekken de zachte robotische vingers zich uit, en wanneer verbonden met vacuüm, trekken ze zich terug.

De onderzoekers konden de combinaties van atmosferische druk en vacuüm binnen de kanalen op de RAM-chip variëren om de robot te laten spelen op een piano, akkoorden en uiteindelijk een hele song.

Volgens het team kan dit systeem theoretisch worden gebruikt om andere robots te bedienen zonder de noodzaak van elektronische hardware. Het vereist alleen een batterij-aangedreven pomp om een vacuüm te creëren.

Er is ook geen risico van onbedoelde overdruking en robot- en besturingssysteemfalen dankzij de afwezigheid van positieve druk in het systeem. Dit betekent dat deze robots veel veiliger zijn in de buurt van mensen, dus ze kunnen worden gebruikt als draagbare apparaten.