Forskere utvikler lette roboter inspirert av edderkoppens ledd

Forskere ved Max Planck-instituttet for intelligente systemer i Tyskland og ved University of Colorado Boulder i USA har utviklet nye lette roboter ved å bruke prinsippene fra edderkoppens ledd.

Forskningen, som har tittelen “Edderkopp-inspirerte elektrohydrauliske aktuatorer for raske, myke aktuatorer“, ble publisert i Advanced Science.

Edderkopper er ofte en inspirasjon i robotikkfeltet, særlig siden de beveger lemmer gjennom hydrauliske aktuatormekanismer når de jakter på byttedyr, noe forskerne prøver å implementere i roboter.

Ved å bruke disse prinsippene, klarte forskerlaget å drive artikulerte roboter uten noen bulke komponenter og koblinger, noe som hjelper å unngå at de blir for tunge og øker mobiliteten og hastigheten.

På grunn av de lette og enkle strukturer som er brukt i konstruksjonen, kan roboten hoppe 10 ganger sin egen høyde.

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

SES-ledd

Forskerne baserte seg på edderkopp-inspirerte elektrohydrauliske myke aktuatorledd, eller SES-ledd, for å oppnå høy ytelse i robotene. Leddene kan konfigureres på ulike måter, også utenfor en edderkopp-robot.

Forskningsartikkelen beskriver en toveis ledd, en multi-segmentert kunstig lem, og en tre-fingeret griper, som kan brukes til å gripe og plukke opp objekter. Alle disse skapningene har lignende trekk. De er lette, enkle og viser høy ytelse, noe som gjør dem nyttige for robotiske systemer som krever rask bevegelse og interagerer med ulike miljøer.

SES-leddene var basert på HASEL-teknologien som tidligere var oppfunnet av laget for å bygge kunstig muskel. SES-leddene ligner en eksoskjelett-mekanisme som har både stive og myke elementer, likt måten en edderkopp utvider benene sine gjennom hydrauliske krefter.

Utvikling av edderkopp-inspirerte roboter

Forskerne skapte først en fleksibel pose av tynne plastfilm, som ble fylt med en flytende dielektrikum. Elektroder ble plassert på hver side av posen, og lommene fungerte som aktuatorer, med den hydrauliske kraften generert gjennom elektrostatisk kraft.

Posen er koblet til et rotary-ledd, og når en høy spenning blir applisert mellom elektrodene, flytter den flytende dielektrikumet seg inni posen og leddet bøyer seg. SES-ledd kan rotere opp til 70 grader, noe som fører til høye dreiemomenter, og de kan gå tilbake til utgangsposisjonen veldig enkelt.

Christoph Keplinger er direktør for avdelingen for robotiske materialer ved Max Planck-instituttet for intelligente systemer.

“SES-leddene er veldig enkle og lette, siden det ikke er noen perifere komponenter som veier ned roboten,” sier Keplinger. “Mange applikasjoner for myke roboter krever fleksible aktuatorer. Disse edderkopp-inspirerte leddene tillater høy funksjonalitet og forbruker bare lite strøm, de er enkle og billige å lage – plastene vi bruker er for matpakking – og produksjonen er lett skalerbar. Disse er alle kvaliteter som er kritiske for design av roboter som kan bevege seg på mange måter og manipulere en rekke objekter uten å ødelegge dem.”

Forskerne demonstrerte fleksibiliteten til SES-leddene gjennom å bruke en tre-fingeret griper. Hvis griperen hadde avhengig av en muskel-lignende struktur, ville den ha blitt hindret når den prøvde å gripe et objekt. Men med SES-leddene som hinge, er mye mindre plass nødvendig.

Nicholas Kellaris er første forfatter av artikkelen.

“Forskningen skiller seg ut fordi vi kan bruke en rekke ulike materialer, selv plasten som brukes til å lage chips-pose til å skape posene,” sier Kellaris. “På den måten kan vi implementere SES i en rekke ulike geometrier med spesifikt justerte aktuatoriske egenskaper.”

Phillip Rothemund er andre forfatter av publikasjonen.

“Det ultimate målet med vår forskning var ikke å lage en edderkopp-robot,” tilføyer Rothemund. “Vi ønsket å utvikle en state-of-the-art, aktiv ledd som du kan plassere i enhver type robot.”