Luftdriven datorminne kan styra mjuka robotrörelser

Ingenjörer vid University of California – Riverside har utvecklat en luftdriven datorminne som kan hjälpa till att styra rörelserna hos mjuka robotar. Det nya systemet löser en av de största utmaningarna inom mjuk robotik, som är missmatchningen mellan pneumatik och elektronik.

Forskningen publicerades i PLOS One.

Tryckluft används för att flytta de mjuka, gummiliknande lemmarna och gripverktygen hos pneumatiska mjuka robotar, som är bättre på att utföra ömtåliga uppgifter än traditionella styva robotar. Samtidigt är de också säkrare.

De befintliga systemen som används för att styra pneumatiska mjuka robotar förlitar sig på elektroniska ventiler och datorer för att upprätthålla positionen för robotens rörliga delar. Men elektroniska komponenter ökar kostnaden, storleken och effektbehovet hos sådana robotar.

Teamet leddes av bioingenjörsdoktoranden Shane Hoan, bioingenjörsprofessorn William Grover, datavetenskapsprofessorn Phillip Brisk och maskiningenjörsprofessorn Konstantinos Karydis. Teamet hämtade inspiration från det förflutna för att främja området mjuk robotik.

“Pneumatisk logik” användes tidigare för att styra olika produkter som termostater och klimatkontrollsystem i början av 1990-talet. Den förlitar sig på luft istället för elektricitet, och luften flödar genom kretsar eller kanaler. Lufttryck används också för att representera på/av eller sant/falskt, och i moderna datorer representeras detta av 1 och 0 i kod, som sedan kan styra elektriska laddningar.

Pneumatiska mjuka robotar kräver att komma ihåg och upprätthålla positionen för sina rörliga delar, så forskarna satte ut för att utveckla pneumatisk logik “minne”, som kunde eliminera behovet av den elektroniska minnesenhet som för närvarande används.

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

Skapandet av den pneumatiska minnesenheten

Teamet skapade sin pneumatiska minnesenhet, eller RAM, genom att använda mikrofluidiska ventiler istället för elektroniska transistorer. Ursprungligen designade för att styra flödet av vätskor på mikrofluidiska chip, kan mikrofluidiska ventiler också styra luftflödet. Ventilerna är förseglade mot ett tryckdifferens, och detta gäller även när de är frånkopplade från en luftförsörjningsledning. Detta system skapade instängda tryckdifferenser, som fungerar som minnen och kan upprätthålla tillstånden för en robots aktuatorer.

Genom att förlita sig på dessa täta ventilar kan robotrörelserna utföra avancerade operationer. Samtidigt minskar de behovet av dyra, klumpiga och effektförbrukande elektroniska komponenter.

Teamet modifierade först mikrofluidiska ventiler så att de kunde hantera större luftflödesrater. De producerade sedan en 8-bitars pneumatisk RAM-chip som kunde styra större och snabbare rörliga mjuka robotar innan de införlivade den i 3D-utskrivna gummihänder.

Den pneumatiska RAM-enheten förlitar sig på atmosfärstryck för att representera ett “0” eller FALSKT värde, och vakuum används för att representera ett “1” eller SANT värde. När den ansluts till atmosfärstryck, förlängs de mjuka robotfingrarna, och när den ansluts till vakuum, dras de ihop.

Forskarna kunde variera kombinationerna av atmosfärstryck och vakuum inom kanalerna på RAM-chipen för att göra roboten spela noter, ackord och till och med en hel sång på en piano.

Enligt teamet kunde detta system teoretiskt användas för att driva andra robotar utan behov av elektroniska komponenter. Det kräver endast en batteridriven pump för att skapa ett vakuum.

Det finns också ingen risk för oavsiktlig övertryckning och robot- och kontrollsystemhaveri tack vare avsaknaden av positivt tryck i systemet. Detta innebär att dessa robotar är mycket säkrare i närheten av människor, så de kunde användas som bärbara enheter.