Большие разработки приближают нас к полностью автономным мягким роботам

Исследователи из Гарвардской школы инженерии и прикладных наук (SEAS) и Калтеха разработали новые мягкие роботические системы, вдохновленные оригами. Эти новые системы способны двигаться и менять форму в ответ на внешние стимулы. Новые разработки приближают нас к созданию полностью автономных мягких роботов. Мягкие роботы, которые мы имеем сегодня, используют внешнюю мощность и управление. Из-за этого они должны быть подключены к внешним системам с жесткими компонентами.

Исследование было опубликовано в Science Robotics. Дженнифер А. Льюис, профессор биоинспирированной инженерии в SEAS и соавтор исследования, рассказала о новых разработках.

«Способность интегрировать активные материалы в 3D-печатные объекты позволяет проектировать и создавать совершенно новые классы мягких роботических материалов», – сказала она.

Исследователи использовали оригами как модель для создания многофункциональных мягких роботов. Оригами, посредством последовательных складок, может менять форму и функциональность, оставаясь в единой структуре. Исследовательская группа использовала жидкокристаллические эластомеры, которые могут менять форму при воздействии тепла. Команда использовала 3D-печать для создания двух типов мягких шарниров. Эти шарниры складываются в зависимости от температуры и могут быть запрограммированы на складывание в определенном порядке.

Арда Котикан – аспирант SEAS и соавтор статьи.

«С нашей методикой 3D-печати активных шарниров мы имеем полный контроль над температурной реакцией, количеством крутящего момента, который шарниры могут оказать, их углом изгиба и направлением складывания. Наш метод изготовления позволяет интегрировать эти активные компоненты с другими материалами», – сказала она.

Коннор Макмэн – аспирант Калтеха и соавтор статьи.

«Использование шарниров упрощает программирование роботизированных функций и контроль над тем, как робот будет менять форму. Вместо того, чтобы иметь весь корпус мягкого робота, деформирующийся способами, которые могут быть трудно предсказуемыми, вам нужно запрограммировать только то, как несколько небольших областей структуры будут реагировать на изменения температуры», – сказал он.

Команда исследователей создала несколько мягких устройств. Одним из них был автономный мягкий робот под названием «Rollbot». Он начинается как плоская листовая конструкция длиной 8 сантиметров и шириной 4 сантиметра. Когда он соприкасается с горячей поверхностью около 200°C, одна пара шарниров складывается и придает роботу форму пятиугольного колеса.

На каждой из пяти сторон колеса есть дополнительные пары шарниров, которые складываются при соприкосновении с горячей поверхностью.

«Многие существующие мягкие роботы требуют подключения к внешним системам питания и управления или ограничены количеством силы, которую они могут оказать. Эти активные шарниры полезны, поскольку они позволяют мягким роботам работать в средах, где подключение к внешним системам нецелесообразно, и поднимать объекты, которые в несколько раз тяжелее шарниров», – сказал Макмэн.

Это исследование было сосредоточено исключительно на температурных реакциях. В будущем жидкокристаллические эластомеры будут изучены дальше, поскольку они также способны реагировать на свет, pH, влажность и другие внешние стимулы.

«Эта работа демонстрирует, как сочетание реактивных полимеров в архитектурном композите может привести к материалам с самоактуацией в ответ на различные стимулы. В будущем такие материалы можно запрограммировать на выполнение все более сложных задач, стирая границы между материалами и роботами», – сказала Киара Дараио, профессор механической инженерии и прикладной физики в Калтехе и соавтор исследования.

Исследование включало соавторов Эмили С. Дэвидсон, Джалила М. Мухаммада и Роберта Д. Уикса. Работа была поддержана Армейским исследовательским офисом, Центром материаловедения и инженерии Гарварда через Национальный научный фонд и стипендией НАСА по космическим технологиям.