Naukowcy tworzą lekkie roboty inspirowane stawami pająków

Naukowcy z Max Planck Institute for Intelligent Systems w Niemczech i University of Colorado Boulder w Stanach Zjednoczonych opracowali nowe lekkie roboty, wykorzystując zasady stawów pająków.

Badanie zatytułowane „Spider-inspired electrohydraulic actuators for fast, soft-actuated joints” zostało opublikowane w Advanced Science.

Pająki często służą jako inspiracja w dziedzinie robotyki, zwłaszcza ponieważ poruszają swoimi kończynami za pomocą hydraulicznych mechanizmów aktuatorowych podczas polowania na zdobycz, co naukowcy starają się zaimplementować w robotach.

Wykorzystując te zasady, zespół naukowców był w stanie napędzać roboty zespołowe bez żadnych zbędnych komponentów i połączeń, co pomaga uniknąć ich obciążenia i zwiększa przenośność oraz szybkość.

Ze względu na lekkie proste struktury użyte w jego konstrukcji, robot może skoczyć 10 razy swoją wysokość.

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

Stawy SES

Naukowcy oparli się na stawach elektrohydraulicznych zainspirowanych pająkami, czyli stawach SES, aby osiągnąć wysoką wydajność w robotach. Stawy te mogą być konfigurowane na różne sposoby, nawet poza arachno-botem.

Artykuł badawczy opisuje staw dwukierunkowy, wielosegmentowy sztuczny człon oraz trójpalczasty chwytak, który może być użyty do chwytania i podnoszenia obiektów. Wszystkie te konstrukcje mają podobne cechy. Są lekkie, proste i wykazują wysoką wydajność, co sprawia, że są przydatne w systemach robotycznych, które wymagają szybkiego ruchu i interakcji z różnymi środowiskami.

Stawy SES oparte były na technologii HASEL, która została wcześniej wynaleziona przez zespół do budowy sztucznych mięśni. Stawy SES naśladują mechanizm egzoszkieletu, który ma zarówno sztywne, jak i miękkie elementy, podobnie jak pająk rozciąga swoje nogi za pomocą sił hydraulicznych.

Tworzenie robotów zainspirowanych pająkami

Naukowcy najpierw stworzyli elastyczną torbę z cienkich folii plastikowych, które wypełniono cieczą dielektryczną. Następnie na każdej stronie torby umieszczono elektrody, a kieszenie służyły jako aktuary, zasilane hydraulicznie za pomocą sił elektrostatycznych.

Torbę połączono z stawem obrotowym, a gdy między elektrodami zastosowano wysokie napięcie, ciecz dielektryczna przesunęła się wewnątrz torby, a staw ugiął się. Stawy SES mogą obracać się o 70 stopni, co prowadzi do wysokich momentów obrotowych, i mogą łatwo wrócić do pozycji wyjściowej.

Christoph Keplinger jest dyrektorem departamentu Materiałów Robotycznych w Max Planck Institute for Intelligence Systems.

„Stawy SES są bardzo proste i lekkie, ponieważ nie ma w nich żadnych peryferyjnych komponentów, które obciążają robota”, mówi Keplinger. „Wiele aplikacji dla robotów miękkich wymaga wszechstronnych aktuatorów. Te stawy zainspirowane pająkami pozwalają na wysoką funkcjonalność i zużywają niewiele energii, są łatwe i tanie w produkcji – plastiki, których używamy, są przeznaczone do opakowań żywności – a ich wytwarzanie jest łatwo skalowalne. Są to wszystko cechy, które są krytyczne dla projektowania robotów, które mogą poruszać się na wiele różnych sposobów i manipulować różnymi obiektami bez ich uszkadzania.”

Naukowcy zademonstrowali wszechstronność stawów SES poprzez zastosowanie trójpalczastego chwytaka. Gdyby chwytak opierał się na strukturze mięśniopodobnej, byłby ograniczony, gdy próbowałby chwycić obiekt. Ale dzięki stawom SES jako zawiasom, wymaga się znacznie mniej miejsca.

Nicholas Kellaris jest pierwszym autorem artykułu.

„Badanie wyróżnia się tym, że możemy używać szerokiej gamy materiałów, nawet plastiku używanego do produkcji opakowań chipsów, aby stworzyć torby”, mówi Kellaris. „W ten sposób możemy zaimplementować stawy SES w szerokiej gamie geometrii z właściwościami aktuatorowymi dostosowanymi do potrzeb.”

Phillip Rothemund jest drugim autorem publikacji.

„Ostatecznym celem naszych badań nie było stworzenie robota-pająka”, dodaje Rothemund. „Chcieliśmy opracować nowoczesny, aktywny staw, który można umieścić w dowolnym rodzaju robota.”