Inżynierowie z Northwestern University opracowali nowatorskie, miękkie i elastyczne urządzenie, które umożliwia robotom poruszanie się poprzez rozszerzanie i kurczenie – podobnie jak ludzki mięsień.
Aby zaprezentować swoje odkrycie, badacze stworzyli cylindrycznego, robota przypominającego robaka oraz sztuczny biceps. W eksperymentach, cylindryczny robot z powodzeniem poruszał się po wąskich, zakręconych tunelach, a sztuczny biceps podnosił 500-gramowy ciężar aż 5000 razy z rzędu bez awarii.
Ciało miękkiego aktuatora zostało wydrukowane w 3D z wykorzystaniem powszechnie dostępnej gumy, co sprawia, że koszt materiałów wynosi jedynie około 3 dolarów, nie licząc małego silnika napędzającego zmianę kształtu aktuatora. To znacznie tańsza alternatywa w porównaniu do sztywnych, tradycyjnych aktuatorów, których koszt często sięga setek, a nawet tysięcy dolarów.
Nowy aktuator może być wykorzystany do tworzenia tanich, miękkich i elastycznych robotów, które są bezpieczniejsze i bardziej praktyczne w rzeczywistych zastosowaniach.
Badania zostały opublikowane 8 lipca w czasopiśmie „Advanced Intelligent Systems”.
Bezpieczniejsze roboty dzięki nowym aktuatorom
„Robotycy od dawna dążą do stworzenia robotów, które są bezpieczniejsze dla ludzi” – powiedział Ryan Truby, kierownik badań z Northwestern University. „Jeżeli miękki robot uderzy człowieka, nie zrobi mu to takiej krzywdy jak uderzenie twardym, sztywnym robotem. Nasz aktuator może być wykorzystany w robotach, które są bardziej praktyczne w środowiskach z ludźmi. A dzięki niskim kosztom produkcji, możemy używać ich więcej tam, gdzie dotychczas było to zbyt kosztowne.”
Truby pełni funkcję profesora w Katedrze Inżynierii Materiałowej oraz Inżynierii Mechanicznej na McCormick School of Engineering w Northwestern, gdzie kieruje Laboratorium Materiałów Robotycznych. W badaniach uczestniczył także Taekyoung Kim, doktorant w laboratorium Truby’ego i pierwszy autor artykułu, oraz Pranav Kaarthik, doktorant inżynierii mechanicznej.
Roboty inspirowane żywymi organizmami
Choć sztywne aktuatory od dawna stanowiły podstawę projektowania robotów, ich ograniczona elastyczność, adaptacyjność i bezpieczeństwo zmusiły robotyków do poszukiwania alternatyw w postaci miękkich aktuatorów. Truby i jego zespół czerpią inspirację z ludzkich mięśni, które jednocześnie się kurczą i sztywnieją.
„Jak stworzyć materiały, które będą poruszać się jak mięsień?” – zapytał Truby. „Jeśli to się uda, możemy stworzyć roboty, które zachowują się i poruszają jak żywe organizmy.”
Zespół wydrukował w 3D cylindryczne struktury zwane „skręconymi auxetami” (HSAs) z gumy. Choć trudne do wykonania, HSAs umożliwiają unikalne ruchy i właściwości. Na przykład, gdy są skręcone, HSAs wydłużają się i rozszerzają. Wcześniejsze wersje tych struktur były drukowane z drogich żywic plastikowych, co ograniczało ich elastyczność.
„Aby to działało, musieliśmy znaleźć sposób na uczynienie HSAs miększymi i bardziej wytrzymałymi” – powiedział Kim. „Udało nam się to poprzez użycie tańszej i łatwiej dostępnej gumy termoplastycznej.”
Upraszczanie procesu tworzenia
Kim dodał do struktury miękki, elastyczny miech gumowy, który działa jak zdeformowany, obracający się wał. Dzięki temu aktuator wydłuża się i kurczy, gdy silnik obraca się w jednym lub drugim kierunku.
„Taekyoung skonstruował dwa gumowe elementy, które umożliwiają ruchy przypominające mięśnie przy obrocie silnika” – wyjaśnił Truby. „Taekyoung znacznie uprościł cały proces dzięki drukowaniu 3D. Teraz mamy praktyczny miękki aktuator, który każdy robotyk może używać i tworzyć.”
Przyszłość robotów bioinspirowanych
Wynikowy robot przypominający robaka miał długość zaledwie 26 cm i poruszał się z prędkością ponad 32 cm na minutę. Zarówno robot, jak i sztuczny biceps stają się sztywniejsze, gdy aktuator jest w pełni rozciągnięty.
„Jak mięśnie, te miękkie aktuatory rzeczywiście sztywnieją” – powiedział Truby. „To ważna cecha, która była pomijana w miękkiej robotyce. Wiele miękkich aktuatorów staje się miększych podczas pracy, ale nasze elastyczne aktuatory sztywnieją podczas działania.”
Truby i Kim twierdzą, że ich nowy aktuator to kolejny krok w kierunku bardziej bioinspirowanych robotów.
„Roboty, które mogą poruszać się jak żywe organizmy, pozwolą nam myśleć o zadaniach, które tradycyjne roboty nie mogą wykonać” – powiedział Truby.
Badania zostały wsparte przez Nagrodę Młodego Badacza z Office of Naval Research oraz Northwestern’s Center for Engineering and Sustainability Resilience.
źródło: sciencedaily.com
