การพัฒนาที่ยิ่งใหญ่นำเราเข้าใกล้หุ่นยนต์แบบอ่อนที่ไม่ต้องเชื่อมต่ออย่างสมบูรณ์

นักวิจัยจากโรงเรียนวิศวกรรมและวิทยาศาสตร์ประยุกต์ฮาร์วาร์ด จอห์น เอ. พอลสัน (Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences) และแคลเทค (Caltech) ได้พัฒนาระบบหุ่นยนต์แบบอ่อนใหม่ที่ได้รับแรงบันดาลใจจากOrigami ซึ่งเป็นศิลปะการพับกระดาษของญี่ปุ่น ระบบใหม่นี้สามารถเคลื่อนไหวและเปลี่ยนรูปทรงตามสิ่งเร้าภายนอกได้ การพัฒนานี้นำเราเข้าใกล้หุ่นยนต์แบบอ่อนที่ไม่ต้องเชื่อมต่ออย่างสมบูรณ์ หุ่นยนต์แบบอ่อนที่เรามีในปัจจุบันต้องใช้พลังงานและระบบควบคุมจากภายนอก ซึ่งทำให้พวกมันต้องเชื่อมต่อกับระบบอื่น ๆ ที่มีส่วนประกอบที่แข็ง

การวิจัยนี้ได้รับการตีพิมพ์ใน Science Robotics เจนนิเฟอร์ เอ. ลูอิส (Jennifer A. Lewis) ศาสตราจารย์ฮันส์ยอร์ก วิสส์ (Hansjorg Wyss) ในสาขาวิศวกรรมที่ได้รับแรงบันดาลใจจากชีวภาพ (Biologically Inspired Engineering) ที่ SEAS และเป็นผู้เขียนร่วมหลักของการศึกษานี้ ได้พูดถึงการพัฒนานี้

“ความสามารถในการรวมวัสดุอันตรกิริยา (active materials) ในวัตถุ 3 มิติที่พิมพ์ออกมา (3D-printed objects) ทำให้เราสามารถออกแบบและสร้างหุ่นยนต์แบบอ่อนที่มีคุณสมบัติใหม่ ๆ ได้” เธอกล่าว

นักวิจัยได้ใช้ Origami เป็นต้นแบบในการสร้างหุ่นยนต์แบบอ่อนที่มีหลายหน้าที่ Origami สามารถเปลี่ยนรูปทรงและหน้าที่ได้หลายอย่างโดยการพับกระดาษทีละขั้นตอน ทีมวิจัยได้ใช้เอลาสโตเมอร์ (elastomers) ที่สามารถเปลี่ยนรูปทรงได้เมื่อถูกความร้อน และใช้เทคนิคพิมพ์ 3 มิติเพื่อให้ได้ข้อต่อแบบอ่อนสองประเภท ข้อต่อเหล่านี้สามารถพับได้ตามอุณหภูมิและสามารถเขียนโปรแกรมให้พับในลำดับที่เฉพาะเจาะจง

อาร์ดา โคติกัน (Arda Kotikan) เป็นนักศึกษาระดับบัณฑิตศึกษา tại SEAS และ Graduate School of Arts and Sciences และเป็นผู้เขียนร่วมหลักของเอกสารวิจัย

“ด้วยวิธีการพิมพ์ 3 มิติของเรา เรามีการควบคุมอย่างเต็มที่เกี่ยวกับการตอบสนองต่ออุณหภูมิ, ทอร์ก (torque) ที่ข้อต่อสามารถสร้างได้, มุมการหัก (bending angle) และทิศทางพับ (fold orientation) วิธีการผลิตของเราช่วยให้เราสามารถรวมส่วนประกอบที่มีปฏิกิริยา (active components) เข้ากับวัสดุอื่น ๆ ได้” เธอกล่าว

คอนเนอร์ แมคมาฮัน (Connor McMahan) เป็นนักศึกษาระดับบัณฑิตศึกษา tạiแคลเทค และเป็นผู้เขียนร่วมหลักของเอกสารวิจัย

“การใช้ข้อต่อแบบอ่อนทำให้ง่ายต่อการเขียนโปรแกรมฟังก์ชันหุ่นยนต์และควบคุมรูปทรงที่หุ่นยนต์จะเปลี่ยนไป ไม่ต้องมีการเปลี่ยนรูปทรงทั้งร่างกายของหุ่นยนต์แบบอ่อนที่อาจยากต่อการคาดเดา แต่เราสามารถเขียนโปรแกรมได้ว่าข้อต่อเล็ก ๆ น้อย ๆ ของโครงสร้างจะตอบสนองต่อการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิอย่างไร” เขากล่าว

ทีมวิจัยได้สร้างอุปกรณ์แบบอ่อนหลายชิ้น หนึ่งในนั้นคือหุ่นยนต์แบบอ่อนที่ไม่ต้องเชื่อมต่อที่เรียกว่า “Rollbot” ซึ่งเริ่มต้นจากแผ่นที่มีขนาด 8 เซนติเมตร x 4 เซนติเมตร เมื่อถูกความร้อนจากพื้นผิวที่มีอุณหภูมิประมาณ 200 องศาเซลเซียส ข้อต่อหนึ่งชุดจะพับและเปลี่ยนรูปทรงของหุ่นยนต์ให้กลายเป็นล้อห้าเหลี่ยม

บนแต่ละด้านของล้อมีข้อต่ออีกชุดหนึ่งที่พับเมื่อถูกความร้อน

“หุ่นยนต์แบบอ่อนหลายตัวที่มีอยู่ในปัจจุบันต้องเชื่อมต่อกับระบบควบคุมและพลังงานจากภายนอก ซึ่งทำให้พวกมันต้องมีส่วนประกอบที่แข็ง ข้อต่อแบบอ่อนที่มีปฏิกิริยานี้มีประโยชน์เพราะ它们ช่วยให้หุ่นยนต์แบบอ่อนสามารถทำงานในสถานการณ์ที่ไม่สามารถใช้สายเชื่อมต่อได้ และสามารถยกของที่มีน้ำหนักมากกว่าข้อต่อหลายเท่า” แมคมาฮันกล่าว

การวิจัยนี้มุ่งเน้นไปที่การตอบสนองต่ออุณหภูมิเท่านั้น แต่ในอนาคต เอลาสโตเมอร์เหล่านี้จะถูกศึกษาต่อไปเพราะ它们สามารถตอบสนองต่อแสง, pH, ความชื้น และสิ่งเร้าภายนอกอื่น ๆ ได้

“งานนี้แสดงให้เห็นว่าการรวมวัสดุอันตรกิริยา (responsive polymers) ในวัสดุประกอบ (composite) ที่มีการออกแบบ (architected) สามารถนำไปสู่วัสดุที่มีการกระทำตนเอง (self-actuation) ต่อสิ่งเร้าภายนอกที่แตกต่างกัน ในอนาคต วัสดุเหล่านี้สามารถถูกเขียนโปรแกรมให้ทำหน้าที่ที่ซับซ้อนมากขึ้น ซึ่งจะทำให้เส้นแบ่งระหว่างวัสดุและหุ่นยนต์พร่ามัว” ชิอารา ดาราโอ (Chiara Daraio) ศาสตราจารย์สาขาวิศวกรรมเครื่องจักรและฟิสิกส์ประยุกต์ (Mechanical Engineering and Applied Physics) ที่แคลเทค และเป็นผู้เขียนร่วมหลักของการศึกษานี้ กล่าว

การวิจัยนี้ได้รับการสนับสนุนจาก Army Research Office, Harvard Materials Research Science and Engineering Center ผ่าน National Science Foundation และ NASA Space Technology Research Fellowship