Origami-strukturer leder till justerbar styvhet i robotar

Ny forskning från Arizona State University visar hur kurvade origami-strukturer kan leda till justerbar flexibilitet i robotar. Justerbar flexibilitet gör det möjligt för en robot att justera sin styvhet beroende på uppgiften, vilket tidigare har visat sig vara svårt att implementera med enkla design.

Hanqing Jiang är professor i maskinteknik vid universitetet och huvudförfattare till artikeln “In Situ Stiffness Manipulation Using Elegant Curved Origami.” Arbetet publicerades i Science Advances.

“Införandet av kurvade origami-strukturer i robotdesign ger en anmärkningsvärd möjlighet till justerbar flexibilitet, eller styvhet, som dess komplementära begrepp”, sa Jiang. “Hög flexibilitet, eller låg styvhet, är jämförbar med den mjuka landningen som en katt navigerar. Låg flexibilitet, eller hög styvhet, är liknande att utföra ett hårt hopp i ett par styva stövlar.”

Operativ skillnad

Jiang jämförde den operativa skillnaden som erbjuds av kurvade origami med den som finns mellan sportbilar och mer komfortinriktade fordon.

“Liksom att växla mellan en sportig bilmodell till en bekväm körmodell kommer dessa kurvade origami-strukturer att samtidigt erbjuda en möjlighet att på begäran växla mellan mjuka och hårda lägen beroende på hur robotarna interagerar med miljön”, sa han.

Inom området robotteknik finns det olika styvhetssätt, såsom hög styvhet, som är avgörande för att lyfta tunga vikter. Hög flexibilitet används för att absorbera stötar, och negativ styvhet, som är förmågan att frigöra lagrad energi som en fjäder, används för sprint.

På begäran flexibilitet

För robotar som kräver styvhet är de ofta klumpiga. Men kurvade origami gör det möjligt för dem att fungera på en utvidgad styvhetsskala, vilket innebär flexibilitet på begäran.

Teamets forskning fokuserade på att kombinera veckenergin i origami-veck med panelböjning, som justeras genom att förflytta sig längs flera veck mellan två punkter. Med kurvade origami kan en enskild robot utföra olika rörelser. Till exempel utvecklade teamet en simmande robot som har nio olika rörelser, såsom snabb, långsam, medium, linjär och rotationsrörelse. För att åstadkomma någon av dessa behöver vecken bara justeras.

Förutom robotteknik kan principerna i forskningen hjälpa till att designa mekaniska metamaterial i elektromagnetiska, bil- och rymdindustrier. Det kan också visa sig vara användbart i skapandet av biomedicinska enheter.

“Skönheten i detta arbete är att designen av kurvade veck, och varje kurvad veck motsvarar en särskild flexibilitet”, sa Jiang.

Andra medförfattare till forskningen inkluderar Hanqing Jiang, Zirui Zhai och Lingling Wu från School for Engineering.