Воздушная компьютерная память может контролировать движения мягких роботов

Инженеры из Университета Калифорнии – Риверсайд разработали воздушную компьютерную память, которая может помочь контролировать движения мягких роботов. Новая система решает одну из самых больших проблем в области мягкой робототехники, которая заключается в несоответствии между пневматикой и электроникой.

Исследование было опубликовано в PLOS One.

Сжатый воздух используется для перемещения мягких, резиновых конечностей и захватов пневматических мягких роботов, которые лучше выполняют тонкие задачи, чем традиционные жесткие роботы. При этом они также более безопасны.

Существующие системы, используемые для управления пневматическими мягкими роботами, полагаются на электронные клапаны и компьютеры для поддержания положения движущихся частей робота. Однако электронные компоненты увеличивают стоимость, размер и энергопотребление таких роботов.

Команду возглавляли аспирант биоинженерии Шейн Хоан, профессор биоинженерии Уильям Гровер, профессор информатики Филлип Бrisk и профессор механики Константинос Каридис. Команда черпала вдохновение из прошлого, чтобы продвинуть область мягкой робототехники.

«Пневматическая логика» ранее использовалась для управления различными продуктами, такими как термостаты и системы климат-контроля в начале 1990-х годов. Она полагается на воздух вместо электричества, и воздух протекает через цепи или каналы. Давление воздуха также используется для представления значений «включено»/«выключено» или «истина»/«ложь», и в современных компьютерах это представлено цифрами 1 и 0 в коде, что затем может контролировать электрические заряды.

Пневматическим мягким роботам необходимо запоминать и поддерживать положение их движущихся частей, поэтому исследователи поставили цель разработать пневматическую логическую «память», которая могла бы исключить необходимость в электронной памяти, используемой в настоящее время.

https://www.youtube.com/watch?v=FnG7ApR5GS0

Создание пневматической оперативной памяти с произвольным доступом

Команда создала свою пневматическую оперативную память с произвольным доступом, или ОЗУ, используя микрофлюидные клапаны вместо электронных транзисторов. Первоначально разработанные для управления потоком жидкостей на микрофлюидных чипах, микрофлюидные клапаны также способны контролировать поток воздуха. Клапаны герметизированы против разницы давления, и это верно даже тогда, когда они отключены от воздушной линии. Эта система создает запертые разницы давления, которые действуют как память и могут поддерживать состояния актуаторов робота.

Благодаря использованию этих плотных массивов клапанов роботические движения могут выполнять сложные операции. При этом они снижают необходимость в дорогом, громоздком и энергозатратном электронном оборудовании.

Команда сначала модифицировала микрофлюидные клапаны, чтобы они могли обрабатывать более высокие скорости потока воздуха. Затем они произвели 8-разрядный пневматический чип ОЗУ, способный управлять более крупными и быстрее движущимися мягкими роботами, прежде чем интегрировать его в 3D-печатные резиновые руки.

Пневматическая ОЗУ полагается на атмосферное давление воздуха для представления значения «0» или ЛОЖЬ, и вакуум используется для представления значения «1» или ИСТИНА. Когда подключено к атмосферному давлению, мягкие роботические пальцы расширяются, и когда подключено к вакууму, они сжимаются.

Исследователи смогли варьировать комбинации атмосферного давления и вакуума в каналах на чипе ОЗУ, чтобы заставить робота играть ноты, аккорды и, в конечном итоге, всю песню на пианино.

По мнению команды, эта система может быть теоретически использована для управления другими роботами без необходимости электронного оборудования. Для этого требуется только батарейный насос для создания вакуума.

Также нет риска случайного переполнения давления и отказа робототехнической и контрольной системы благодаря отсутствию положительного давления в системе. Это означает, что эти роботы намного безопаснее рядом с людьми, поэтому они могут быть использованы в качестве носимых устройств.