นักวิทยาศาสตร์สร้างหุ่นยนต์เบาสะดวกแบบจำลองจากข้อต่อของแมงมุม

นักวิทยาศาสตร์ที่สถาบัน Max Planck สำหรับระบบอัจฉริยะในเยอรมนี และที่มหาวิทยาลัยโคโลราโด โบลเดอร์ ในสหรัฐอเมริกาได้พัฒนาหุ่นยนต์เบาใหม่โดยใช้หลักการจากข้อต่อของแมงมุม

การวิจัยที่มีชื่อเรื่องว่า “Spider-inspired electrohydraulic actuators for fast, soft-actuated joints” ได้รับการตีพิมพ์ใน Advanced Science

แมงมุมมักเป็นแรงบันดาลใจในด้านหุ่นยนต์ โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อพวกมันเคลื่อนขาทrough กลไกการกระตุ้นแบบไฮดรอลิกเมื่อออกล่าเหยื่อ ซึ่งนักวิทยาศาสตร์พยายามนำไปใช้ในหุ่นยนต์

โดยใช้หลักการเหล่านี้ ทีมนักวิทยาศาสตร์สามารถขับเคลื่อนหุ่นยนต์ที่มีข้อต่อได้โดยไม่ต้องใช้ส่วนประกอบที่มีขนาดใหญ่และหนัก ซึ่งช่วยให้หุ่นยนต์ไม่ต้องแบกส่วนประกอบที่มีน้ำหนักมากและเพิ่มความคล่องตัวและความเร็ว

เนื่องจากโครงสร้างที่ใช้ในการสร้างหุ่นยนต์นั้นเบาและง่าย หุ่นยนต์จึงสามารถกระโดดได้สูงถึง 10 เท่าของความสูงของมัน

https://www.youtube.com/watch?v=XtZSv7ZcoxY

ข้อต่อ SES

นักวิทยาศาสตร์ใช้ข้อต่อ Electrohydraulic Soft-actuated ที่ได้รับแรงบันดาลใจจากแมงมุม หรือ SES joints เพื่อให้ได้ประสิทธิภาพสูงในหุ่นยนต์ ข้อต่อเหล่านี้สามารถกำหนดค่าได้หลายวิธี แม้กระทั่งนอกหุ่นยนต์แบบแมงมุม

รายงานการวิจัยอธิบายถึงข้อต่อที่มีทิศทางสองทาง ขาที่มีหลายส่วน และกริปเปอร์ที่มีสามนิ้ว ซึ่งสามารถใช้จับและยกของได้ ทั้งหมดนี้มีลักษณะคล้ายกัน คือ มีน้ำหนักเบา ง่ายต่อการใช้งาน และมีประสิทธิภาพสูง ซึ่งทำให้พวกมันเหมาะสำหรับระบบหุ่นยนต์ที่ต้องการการเคลื่อนไหวที่รวดเร็วและโต้ตอบกับสภาพแวดล้อมที่แตกต่างกัน

ข้อต่อ SES เหล่านี้อิงจากเทคโนโลยี HASEL ที่ทีมนักวิทยาศาสตร์สร้างขึ้นมาก่อนหน้านี้เพื่อสร้างกล้ามเนื้อเทียม ข้อต่อ SES เหล่านี้เลียนแบบกลไกของเอ็กซ์โซสเกเลตันที่มีทั้งองค์ประกอบที่แข็งและอ่อน ซึ่งคล้ายกับวิธีที่แมงมุมยืดขาของมันผ่านแรงไฮดรอลิก

การพัฒนาหุ่นยนต์แบบแมงมุม

นักวิทยาศาสตร์สร้างถุงพลาสติกที่มีความยืดหยุ่นสูงโดยใช้ฟิล์มพลาสติกบางๆ และเติมของเหลวที่มีคุณสมบัติเป็นไดอิเล็กทริก จากนั้นจึงวางอิเล็กโทรดที่ด้านข้างของถุง และถุงเหล่านี้ทำหน้าที่เป็นตัวกระตุ้น โดยพลังไฮดรอลิกถูกสร้างขึ้นผ่านแรงกระตุ้นแบบอิเล็กโตรสตาติก

ถุงนี้เชื่อมต่อกับข้อต่อแบบหมุน และเมื่อมีการใช้แรงดันสูงระหว่างอิเล็กโทรด ของเหลวที่มีคุณสมบัติเป็นไดอิเล็กทริกจะเคลื่อนไหวภายในถุง และข้อต่อจะงอ SES joints สามารถหมุนได้ถึง 70 องศา ซึ่งนำไปสู่การหมุนได้สูง และสามารถกลับไปสู่ตำแหน่งเริ่มต้นได้อย่างง่ายดาย

Christoph Keplinger เป็นหัวหน้าแผนกวัสดุหุ่นยนต์ที่ Max Planck Institute for Intelligence Systems

“ข้อต่อ SES เหล่านี้มีความง่ายและเบา เนื่องจากไม่มีส่วนประกอบที่มีน้ำหนักมากที่จะทำให้หุ่นยนต์หนัก” Keplinger กล่าว “หลาย ๆ การใช้งานสำหรับหุ่นยนต์แบบอ่อนต้องการตัวกระตุ้นที่มีความสามารถหลากหลาย ข้อต่อที่ได้รับแรงบันดาลใจจากแมงมุมเหล่านี้ทำให้สามารถทำงานได้สูงและใช้พลังงานน้อย มันง่ายและราคาไม่แพงในการผลิต — พลาสติกที่เรากำลังใช้คือพลาสติกที่ใช้สำหรับบรรจุภัณฑ์อาหาร — และการผลิตสามารถขยายได้ง่าย ซึ่งเป็นคุณสมบัติที่สำคัญสำหรับการออกแบบหุ่นยนต์ที่สามารถเคลื่อนไหวได้หลายวิธีและจัดการกับวัตถุที่แตกต่างกันโดยไม่ทำให้พวกมันเสียหาย”

นักวิทยาศาสตร์แสดงให้เห็นถึงความสามารถหลากหลายของข้อต่อ SES ผ่านการประยุกต์ใช้กริปเปอร์ที่มีสามนิ้ว หากกริปเปอร์ขึ้นอยู่กับโครงสร้างที่คล้ายกล้ามเนื้อ มันจะถูกขัดขวางเมื่อพยายามจับของ แต่ด้วยข้อต่อ SES เป็นจุดหมุน พื้นที่ที่จำเป็นจะน้อยกว่ามาก

Nicholas Kellaris เป็นนักวิจัยหลักของรายงาน

“การวิจัยนี้โดดเด่นเพราะเราสามารถใช้วัสดุหลากหลาย รวมถึงพลาสติกที่ใช้ทำถุงชิปเพื่อสร้างถุง” Kellaris กล่าว “ด้วยวิธีนี้ เราสามารถนำ SES ไปใช้ในรูปแบบต่างๆ ที่มีลักษณะการกระตุ้นที่ปรับให้เหมาะสมได้”

Phillip Rothemund เป็นนักวิจัยที่สองของรายงาน

“เป้าหมายสูงสุดของการวิจัยของเราคือไม่ใช่เพื่อสร้างหุ่นยนต์แบบแมงมุม” Rothemund กล่าว “เราต้องการพัฒนาข้อต่อที่มีประสิทธิภาพสูงและสามารถใช้ในหุ่นยนต์ใดๆ ก็ได้”