Origami-strukturer fører til justerbar stivhet i roboter

Ny forskning fra Arizona State University viser hvordan kurvede origami-strukturer kan føre til justerbar fleksibilitet i roboter. Justerbar fleksibilitet gjør det mulig for en robot å justere stivheten etter oppgaven, noe som tidligere har vist seg å være vanskelig å implementere med enkle design.

Hanqing Jiang er professor i maskinteknikk ved universitetet og hovedforfatter av artikkelen med tittelen “In Situ Stiffness Manipulation Using Elegant Curved Origami.” Arbeidet ble publisert i Science Advances.

“Inkorporeringen av kurvede origami-strukturer i robotdesign gir en bemerkelsesverdig mulighet for justerbar fleksibilitet, eller stivhet, som et komplementært konsept,” sa Jiang. “Høy fleksibilitet, eller lav stivhet, er sammenlignbar med en myk landing navigert av en katt. Lav fleksibilitet, eller høy stivhet, er lignende med å utføre et hardt hopp i et par stive støvler.”

Operasjonell forskjell

Jiang sammenlignet den operasjonelle forskjellen som kurvede origami tilbyr med den til sportsbiler versus mer komfortfokuserte kjøretøy.

“Liksom å bytte mellom en sporty bilmodus til en komfortabel kjøremodus, vil disse kurvede origami-strukturer samtidig tilby en mulighet til å på forespørsel bytte mellom myke og harde moduser avhengig av hvordan robotene samhandler med miljøet,” sa han.

Innenfor feltet robotikk, finnes det forskjellige stivhetsmoduser, som høy stivhet, som er avgjørende for å løfte tunge vekter. Høy fleksibilitet er avhengig av impulssabsorpsjon, og negativ stivhet, som er evnen til å frigjøre lagret energi som en fjær, brukes til sprinting.

På forespørsel fleksibilitet

For roboter som krever stivhet, er de ofte bulke. Men kurvede origami gjør det mulig for dem å operere på en utvidet stivhetsskala, noe som betyr på forespørsel fleksibilitet.

Teamets forskning fokuserte på å kombinere foldingsenergien i origami-krevjer med panelbøyning, som er justert ved å flytte langs flere krever mellom to punkter. Med kurvede origami er en enkelt robot i stand til å utføre forskjellige bevegelser. For eksempel utviklet teamet en svømmende robot som har ni forskjellige bevegelser, som rask, langsom, medium, lineær og rotasjon. For å oppnå noen av disse, trenger man bare å justere krevene.

Foruten robotikk, kan prinsippene som er lagt frem i forskningen hjelpe med å designe mekaniske metamaterialer i elektromagnetiske, bil- og luftfartsindustrier. Det kan også vise seg å være nyttig i skapningen av biomedisinske enheter.

“Skjønnheten i dette arbeidet er at designet av kurvede krevjer, og hver kurvet kreve korresponderer til en bestemt fleksibilitet,” sa Jiang.

Andre bidragende forfattere til forskningen inkluderer Hanqing Jiang, Zirui Zhai og Lingling Wu fra School for Engineering.