Origami-structuren leiden tot aanpasbare stijfheid in robots

Nieuw onderzoek van de Arizona State University toont aan hoe gebogen origami-structuren kunnen leiden tot instelbare flexibiliteit in robots. Instelbare flexibiliteit stelt een robot in staat om zijn stijfheid aan te passen aan de taak die hij uitvoert, wat in het verleden moeilijk bleek te zijn om te implementeren met eenvoudige ontwerpen.

Hanqing Jiang is een professor in de mechanische techniek aan de universiteit en de hoofdauteur van het artikel met de titel “In Situ Stiffness Manipulation Using Elegant Curved Origami.” Het onderzoek werd gepubliceerd in Science Advances.

“De integratie van gebogen origami-structuren in robotontwerp biedt een opmerkelijke mogelijkheid voor instelbare flexibiliteit, of stijfheid, als zijn complementaire concept,” zei Jiang. “Hoge flexibiliteit, of lage stijfheid, is vergelijkbaar met de zachte landing die een kat navigeert. Lage flexibiliteit, of hoge stijfheid, is vergelijkbaar met het uitvoeren van een harde sprong in een paar stijve laarzen.”

Operationeel verschil

Jiang vergeleek het operationele verschil dat gebogen origami biedt met dat van sportwagens versus meer comfortgerichte voertuigen.

“Net als het schakelen tussen een sportieve auto-modus en een comfortabele ritmodus, zullen deze gebogen origami-structuren tegelijkertijd de mogelijkheid bieden om op aanvraag te schakelen tussen zachte en harde modi, afhankelijk van hoe de robots interactie hebben met de omgeving,” zei hij.

Binnen het veld van de robottechniek zijn er verschillende stijfheidsmodi, zoals hoge stijfheid, die cruciaal is voor het tillen van zware gewichten. Hoge flexibiliteit wordt gebruikt voor het opvangen van impact, en negatieve stijfheid, die de mogelijkheid heeft om opgeslagen energie te vrijgeven als een veer, wordt gebruikt voor sprinten.

Flexibiliteit op aanvraag

Voor robots die stijfheid vereisen, zijn ze vaak omvangrijk. Echter, gebogen origami stelt hen in staat om te opereren op een uitgebreide stijfheidsschaal, wat flexibiliteit op aanvraag betekent.

Het onderzoek van het team richtte zich op het combineren van de vouwenergie bij origami-plooien met het buigen van panelen, dat wordt afgestemd door langs meerdere plooien tussen twee punten te bewegen. Met gebogen origami is een enkele robot in staat om verschillende bewegingen uit te voeren. Zo ontwikkelde het team een zwemrobot die negen verschillende bewegingen kan uitvoeren, zoals snel, langzaam, medium, lineair en roterend. Om een van deze bewegingen uit te voeren, hoeven de plooien alleen maar aangepast te worden.

Naast de robottechniek kunnen de principes die in het onderzoek zijn uiteengezet helpen bij het ontwerpen van mechanische metamaterialen in de elektromagnetische, automobiel- en luchtvaartindustrie. Het kan ook nuttig zijn bij de creatie van biomedische apparaten.

“De schoonheid van dit werk is dat het ontwerp van gebogen plooien, en elke gebogen plooi correspondeert met een bepaalde flexibiliteit,” zei Jiang.

Andere mede-auteurs van het onderzoek zijn Hanqing Jiang, Zirui Zhai en Lingling Wu van de School for Engineering.