Duże postępy przybliżają nas do w pełni niezależnych miękkich robotów

Naukowcy z Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) i Caltech opracowali nowe systemy robotyki miękkiej inspirowane origami. Te nowe systemy są w stanie poruszać się i zmieniać kształt w odpowiedzi na bodźce zewnętrzne. Nowe osiągnięcia przybliżają nas do posiadania w pełni niezależnych miękkich robotów. Miękkie roboty, którymi dysponujemy dzisiaj, wykorzystują zewnętrzne źródło zasilania i sterowania. W związku z tym muszą być połączone z systemami zewnętrznymi o twardych komponentach.

Badania zostały opublikowane w Science Robotics. Jennifer A. Lewis, profesor Hansjorg Wyss Professor of Biologically Inspired Engineering na SEAS i współautor badań, mówił o nowych osiągnięciach.

“Możliwość integrowania aktywnych materiałów w obiektach drukowanych w 3D umożliwia projektowanie i tworzenie całkowicie nowych klas miękkiej materii robotycznej”, powiedziała.

Naukowcy wykorzystali origami jako model do tworzenia wielofunkcyjnych miękkich robotów. Origami, poprzez sekwencyjne fałdowanie, jest w stanie zmienić się w wiele kształtów i funkcji, pozostając w jednej strukturze. Zespół badawczy wykorzystał ciekłe kryształy elastomerowe, które są w stanie zmienić swój kształt pod wpływem ciepła. Zespół wykorzystał druk 3D, aby uzyskać dwa rodzaje miękkich zawiasów. Te zawiasy fałdują się w zależności od temperatury i mogą być zaprogramowane do fałdowania w określonej kolejności.

Arda Kotikan jest studentką na SEAS i Graduate School of Arts and Sciences oraz współautorką pracy.

“Nasza metoda drukowania aktywnych zawiasów pozwala nam na pełną kontrolę nad odpowiedzią na temperaturę, ilością momentu obrotowego, który mogą wywierać zawiasy, ich kątem zginania i orientacją fałd. Nasza metoda produkcji umożliwia integrowanie tych aktywnych komponentów z innymi materiałami”, powiedziała.

Connor McMahan jest studentem na Caltech i współautorem pracy.

“Używanie zawiasów ułatwia programowanie funkcji robotycznych i kontrolę nad tym, jak robot zmieni swój kształt. Zamiast tego, że całe ciało miękkiego robota deformuje się w sposób trudny do przewidzenia, wystarczy zaprogramować, jak kilka małych obszarów struktury odpowie na zmiany temperatury”, powiedział.

Zespół naukowców zbudował wiele miękkich urządzeń. Jednym z nich był niezależny miękki robot o nazwie „Rollbot”. Początkowo jest to płaska arkusz o długości 8 centymetrów i szerokości 4 centymetrów. Gdy arkusz znajduje się w kontakcie z gorącą powierzchnią o temperaturze około 200°C, jeden zestaw zawiasów fałduje się i nadaje robotowi kształt pięciokąta.

Na każdej z pięciu stron koła znajdują się dodatkowe zestawy zawiasów, które fałdują się pod wpływem ciepła.

“Wiele istniejących miękkich robotów wymaga połączenia z zewnętrznymi systemami zasilania i sterowania lub są ograniczone ilością siły, którą mogą wywierać. Te aktywne zawiasy są przydatne, ponieważ pozwalają miękkim robotom działać w środowiskach, w których połączenia są niepraktyczne, oraz podnosić obiekty o wiele cięższe niż same zawiasy”, powiedział McMahan.

Przeprowadzone badania koncentrowały się wyłącznie na odpowiedziach na temperaturę. W przyszłości ciekłe kryształy elastomerowe będą badane dalej, ponieważ są one również w stanie reagować na światło, pH, wilgotność i inne bodźce zewnętrzne.

“Praca ta pokazuje, jak połączenie polimerów reagujących w kompozycie architektonicznym może prowadzić do materiałów o samoczynnej aktywacji w odpowiedzi na różne bodźce. W przyszłości takie materiały mogą być zaprogramowane do wykonywania coraz bardziej złożonych zadań, zacierając granice między materiałami a robotami”, powiedziała Chiara Daraio, profesor inżynierii mechanicznej i fizyki stosowanej na Caltech i współautor badań.

W badaniach wzięli udział również współautorzy Emily C. Davidson, Jalilah M. Muhammad i Robert D. Weeks. Pracę tę wspierało Biuro Badań Armii, Harvard Materials Research Science and Engineering Center przy Narodowej Fundacji Nauki oraz stypendium NASA Space Technology Research Fellowship.