Большинство мягких роботов сегодня полагаются на внешнее питание и управление, удерживая их привязанными к бортовым системам или оснащенными жесткими компонентами. Теперь исследователи из Гарвардской школы инженерных и прикладных наук имени Джона А. Полсона (SEAS) и Caltech разработали мягкие роботизированные системы, вдохновленные оригами, которые могут перемещаться и изменять форму в ответ на внешние раздражители, прокладывая путь для полностью отвязанного мягкого роботы. Исследование опубликовано в Science Robotics.
«Способность интегрировать активные материалы в объекты с трехмерной печатью позволяет проектировать и изготавливать совершенно новые классы мягких роботизированных материалов», – сказала Дженнифер Льюис, профессор биологической инженерии Hansjorg Wyss в SEAS и соавтор проекта исследования.
Исследователи обратились к оригами для создания многофункциональных мягких роботов. Посредством последовательных сгибов оригами может кодировать несколько форм и функций в одной структуре. Используя материалы, известные как жидкокристаллические эластомеры, которые изменяют форму при воздействии тепла, исследовательская группа напечатала в 3-D два типа мягких шарниров, которые складываются при разных температурах и, таким образом, могут быть запрограммированы для складывания в определенном порядке.
«Благодаря нашему методу 3-D печати на активных петлях у нас есть полная программируемость в зависимости от температурного отклика, величины крутящего момента, который могут создавать петли, угла их изгиба и ориентации сгиба. Наш метод изготовления облегчает интеграцию этих активных компонентов с другими материалами», сказала Арда Котикян, аспирант SEAS и Высшей школы искусств и наук и соавтор статьи.
«Использование шарниров облегчает программирование роботизированных функций и контроль того, как робот изменит форму. Вместо того, чтобы весь корпус мягкого робота деформировался способами, которые трудно предсказать, вам нужно только запрограммировать несколько небольших областей и структура будет реагировать на изменения температуры», – сказал Коннор МакМэхан, аспирант в Калифорнийском технологическом институте и соавтор статьи.
Чтобы продемонстрировать этот метод, Котикян МакМахан и его команда создали несколько программных устройств, в том числе неуправляемого программного робота по прозвищу «Rollbot». Роллбот выглядит как плоский лист длиной около 8 сантиметров и шириной 4 сантиметра. При помещении на горячую поверхность , примерно при 200°C, один комплект петель складывается и робот скручивается в пятиугольное колесо.
Другой набор петель встроен в каждую из пяти сторон колеса. Шарнир складывается при контакте с горячей поверхностью, приводя колесо в движение на следующую сторону, где складывается следующий шарнир. Когда они скатываются с горячей поверхности, шарниры раскрываются и готовы к следующему циклу.
«Многие существующие мягкие роботы требуют привязи к внешним системам питания и управления или ограничены величиной силы, которую они могут оказать. Эти активные шарниры полезны, потому что они позволяют мягким роботам работать в средах, где привязи нецелесообразны и можно многократно поднимать предметы тяжелее, чем петли”, – сказал МакМахан.
Другое устройство, помещенное в горячую среду, может складываться в компактную сложенную форму, напоминающую скрепку для бумаг, и раскладываться при охлаждении. Устройство демонстрирует последовательное складывание при повышении температуры от температуры окружающей среды до 100°C, где активируются верхние петли, до 150°C, где активируются нижние петли.
«Этими отвязанными структурами можно пассивно управлять», – сказал Котикян. «Другими словами, все, что нам нужно сделать, это подвергнуть конструкции воздействию определенных температурных условий, и они будут реагировать в соответствии с тем, как мы запрограммировали петли».
Хотя это исследование было сосредоточено только на температурных реакциях, жидкокристаллические эластомеры также могут быть запрограммированы на реагирование на свет, pH, влажность и другие внешние воздействия .
«Эта работа демонстрирует, как сочетание чувствительных полимеров в спроектированном композите может привести к материалам с самоприводом в ответ на различные раздражители. В будущем такие материалы могут быть запрограммированы для выполнения еще более сложных задач, размывая границы между материалами и роботов», – сказала Кьяра Дарайо, профессор машиностроения и прикладной физики в Калифорнийском технологическом институте и соавтор исследования.
