Stora framsteg för oss närmare helt fria mjuka robotar

Forskare från Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) och Caltech har utvecklat nya mjuka robotiska system som är inspirerade av origami. Dessa nya system kan röra sig och ändra form i svar på yttre stimuli. De nya framstegen bringar oss närmare att ha helt fria mjuka robotar. De mjuka robotar vi har idag använder yttre kraft och kontroll. På grund av detta måste de vara anslutna till externa system med hårda komponenter.

Forskningen publicerades i Science Robotics. Jennifer A. Lewis, en Hansjorg Wyss Professor of Biologically Inspired Engineering vid SEAS och co-lead author av studien, talade om de nya framstegen.

“Förmågan att integrera aktiva material inom 3D-utskrivna objekt möjliggör design och tillverkning av helt nya klasser av mjuk robotisk materia”, sa hon.

Forskarna använde origami som en modell för att skapa multifunktionella mjuka robotar. Origami, genom sekventiella veck, kan ändra form och funktioner medan den förblir i en enda struktur. Forskningsgruppen använde flytande kristall-elastomerer som kan ändra form när de utsätts för värme. Teamet använde 3D-utskrifter för att få två typer av mjuka gångjärn. Dessa gångjärn vecklas beroende på temperaturen, och de kan programmeras för att veckla i en specifik ordning.

Arda Kotikan är en doktorand vid SEAS och Graduate School of Arts and Sciences och co-first author av artikeln.

“Med vår metod för 3D-utskrift av aktiva gångjärn har vi fullständig programmerbarhet över temperatursvar, mängden vridmoment som gångjärnen kan utöva, deras böjningsvinkel och veckorientering. Vår tillverkningsmetod underlättar integrering av dessa aktiva komponenter med andra material”, sa hon.

Connor McMahan är en doktorand vid Caltech och co-first author av artikeln.

“Användning av gångjärn gör det lättare att programmera robotfunktioner och kontrollera hur en robot kommer att ändra form. Istället för att ha hela kroppen av en mjuk robot deformeras på sätt som kan vara svåra att förutsäga, behöver du bara programmera hur ett fåtal små områden av din struktur kommer att svara på förändringar i temperatur”, sa han.

Forskningsgruppen byggde flera mjuka enheter. En av dessa enheter var en fri mjuk robot som kallades “Rollbot”. Den börjar som en 8 centimeter lång och 4 centimeter bred platt skiva. När den kommer i kontakt med en varm yta på cirka 200°C, vecklas en uppsättning av gångjärnen och formar roboten till en pentagonisk hjul.

På varje sida av hjulet finns det fler uppsättningar av gångjärn som vecklas när de kommer i kontakt med en varm yta.

“Många befintliga mjuka robotar kräver en anslutning till extern kraft och kontrollsystem eller är begränsade av den mängd kraft de kan utöva. Dessa aktiva gångjärn är användbara eftersom de tillåter mjuka robotar att fungera i miljöer där anslutningar är opraktiska och lyfta föremål som är många gånger tyngre än gångjärnen”, sa McMahan.

Denna forskning som utfördes fokuserade enbart på temperatursvar. I framtiden kommer flytande kristall-elastomerer att studeras vidare eftersom de också kan svara på ljus, pH, fuktighet och andra yttre stimuli.

“Detta arbete visar hur kombinationen av responsiva polymerer i en arkitekturerad komposit kan leda till material med självaktivering i svar på olika stimuli. I framtiden kan sådana material programmeras för att utföra alltmer komplexa uppgifter, suddiga ut gränserna mellan material och robotar”, sa Chiara Daraio, Professor of Mechanical Engineering and Applied Physics vid Caltech och co-lead author av studien.

Forskningen inkluderade medförfattare Emily C. Davidson, Jalilah M. Muhammad och Robert D. Weeks. Arbetet stöddes av Army Research Office, Harvard Materials Research Science and Engineering Center genom National Science Foundation och NASA Space Technology Research Fellowship.