Onderzoekers creëren nieuwe besturingssystemen voor zachte robots

Een team van robotica-onderzoekers, ingenieurs en materiaalwetenschappers van de Rice University en de Harvard University heeft analoge en luchtgestuurde besturingssysteemopties voor zachte robots gedemonstreerd. Het team heeft aangetoond dat het mogelijk is om programmeerbare, niet-elektronische circuits te ontwikkelen om de acties van zachte robots te besturen. Deze circuits werken door informatie te verwerken die is gecodeerd in bursts van gecomprimeerde lucht.

Het onderzoek werd gepubliceerd in de Proceedings of the National Academy of Sciences.

Het creëren van het besturingssysteem

Colter Decker is de eerste auteur van de studie en een undergraduate aan de Rice University.

“Een deel van de schoonheid van dit systeem is dat we echt in staat zijn om de berekening terug te brengen tot zijn basiscomponenten,” zei Decker.

Hij zei ook dat elektronische besturingssystemen decennialang zijn verfijnd, en door computercircuits na te bootsen “met analoge druk en debiet in plaats van spanning en stroom”, is het gemakkelijker om pneumatische berekening toe te passen.

Decker creëerde het zachte robotbesturingssysteem grotendeels uit alledaagse materialen, zoals plastic rietjes en rubberen banden. In de experimenten demonstreerde het systeem luchtgestuurde logische poorten die konden worden geconfigureerd om operaties uit te voeren die worden aangeduid als Booleaanse functies, die essentieel zijn voor moderne computertechniek.

“Het doel was nooit om elektronische computers volledig te vervangen,” zei Decker.

In veel gevallen hebben zachte robots of wearables alleen maar een paar eenvoudige bewegingen nodig. Wat betreft de nieuwe technologie, is het mogelijk dat deze “veel goedkoper en veiliger voor gebruik en veel duurzamer” zou zijn dan traditionele elektronische besturingen.

Het nieuwe project was een samenwerking tussen verschillende onderzoeksgroepen en in totaal negen co-auteurs.

Het team creëerde twee componenten. De eerste is een pistonachtige actuator die luchtdruk omzet in mechanische kracht. En de tweede is een klep die in- en uitgeschakeld kan worden. De componenten werden gebouwd uit verschillende onderdelen, waaronder plastic rietjes, flexibele plastic buizen, rubberen banden, perkamentpapier en thermoplastische polyurethaanplaten.

Componenten combineren in één apparaat

De twee componenten konden worden samengevoegd tot één apparaat, dat een bistabiele klep was die werkte als een schakelaar en luchtdruk als invoer en uitvoer gebruikte. Een specifieke hoeveelheid luchtdruk resulteert in het omzetten van de schakelaar tussen de twee staten, en de kleppen werden gesloten door rubberen banden en geprogrammeerd door rubberen banden toe te voegen of weg te nemen. Dit resulteerde in een verandering in de hoeveelheid druk die nodig was voor activatie.

Tests toonden aan dat de circuits konden worden gebruikt om een zachte, handvormige robot, een pneumatische kussen en een schoenendoosgrote robot die een vooraf geprogrammeerd aantal stappen zette om een object op te halen, te besturen.

Daniel Preston is een assistent-professor in de mechanische techniek aan de Rice University en co-auteur van de studie.

“De grootste prestatie in dit werk is de integratie van zowel digitale als analoge besturing in hetzelfde systeemarchitectuur,” zei Preston.

Met beide kan het pneumatische besturingssysteem digitaal worden geprogrammeerd met de “enen en nullen die je denkt aan een traditionele computer. Maar we kunnen ook analoge mogelijkheden toevoegen, dingen die continu zijn.” hij gaat verder. “Dat stelt ons in staat om de algehele systeemarchitectuur echt te vereenvoudigen en nieuwe mogelijkheden te bereiken die niet toegankelijk waren in eerder werk.”