Videnskab
 science >> Videnskab >  >> Elektronik

Den første bløde ringoscillator lader bløde robotter rulle, bølgende, sortere, meter væsker, og sluge

Brug af den bløde ringoscillator til at styre en oppustelig mekanoterapeutisk enhed påført underbenet. Kredit:Preston et al., Sci. Robot. 4, eaaw5496 (2019)

Bløde robotter kan ikke altid konkurrere med de hårde. Deres stive brødre dominerer samlebånd, udføre backflips, dans til Bruno Mars' "Uptown Funk, "flyve, dykke, og gå gennem vulkaner.

Men hvert år, bløde robotter får nye evner. De har lært at hoppe, vride, og greb. Og, i modsætning til hårde robotter, de kan klare tomater uden at ødelægge frugten, genopstå uskadt efter at være blevet kørt over af en bil, og rejse gennem stråling, katastrofezoner, og det ydre rum med få ar. For mennesker og dyr, de har en "samarbejdsfunktion":en blød berøring.

For nylig, forskere i laboratoriet af George M. Whitesides, Woodford L. og Ann A. Flowers University professor, har opfundet bløde erstatninger til de sidste hårde dele, der kræves for at bygge en robot. I stedet for elektricitet og ledninger, trykluft udvider og trækker gummioppustelige sammen for at skabe bevægelse, bløde ventiler tager over for de hårde, og blød digital logik replikerer de samme muligheder som en elektronisk computer.

Nu, postdoc Daniel J. Prestons seneste bløde opfindelse giver disse robotter nye, komplekse bevægelser. Som førsteforfatter på en undersøgelse offentliggjort i Videnskab robotik , han introducerer den første bløde ringoscillator, som giver bløde robotter evnen til at rulle, bølgende, sortere, meter væsker, og sluge.

Video:ringoscillatoren komprimeres manuelt til 25% af dens oprindelige størrelse, hvorefter den genoptager driften. Kredit:Preston et al., Sci. Robot. 4, eaaw5496 (2019)

"Det er endnu et værktøj i værktøjskassen til at gøre disse smarte, bløde robotter uden elektronik, og uden hårde ventiler, " siger Preston.

Indtil nu, ringoscillatorer blev lavet med elektroniske transistorer eller mikrofluidik. Elektronik kræver altid hårde komponenter. De fleste mikrofluidika gør, også. Mange bruger glas til deres trykvands- eller luftsystemer og kræver tynde kanaler, der kun kan håndtere meget lave strømningshastigheder, begrænsning af driftshastigheder. Små mikrofluidsystemer kan opnå højere frekvenser end Prestons pneumatiske ringoscillator i makroskala, men hans team har allerede tegninger til at justere deres bløde system for at opnå højere hastigheder, hvis det er nødvendigt.

Den bløde ringoscillator - som alle ringoscillatorer - er afhængig af invertere ("NOT" digitale logiske porte). Prestons invertere, for eksempel, manipulere lufttrykket i hans robots gummirør:Hvis input er højt tryk, outputtet vil være lavt tryk og omvendt. Når tre, eller et hvilket som helst ulige tal, af porte er forbundet i en ring, en gates skift udløser den næste, som udløser den næste, og videre og videre.

"Den seje respons, du får, når du kombinerer et ulige antal af disse invertere i en løkke, er en ustabilitet, der bevæger sig rundt i løkken, " siger Preston. Som en slinky, der kollapser for at springe ned ad en trappe, den ene bevægelse gnister den næste, skabe et konstant tempo uden behov for endnu et skub.

Video af translation af sfærisk genstand omkring et cirkulært elastomert spor. Kredit:Preston et al., Sci. Robot. 4, eaaw5496 (2019)

For at teste, hvad den bløde ringoscillator kunne gøre, Preston og hans team skabte fem bløde robotprototyper. Hver bruger en enkelt, konstant kilde til lufttryk til at køre tre pneumatiske aktuatorer (inverterne).

En prototype skubber en bold rundt om en ring. En anden bølger en scene for at holde perler i to forskellige størrelser rullende mod kanten. Til sidst, alle de mindre perler falder gennem et hul i siden af ​​scenen. De ordner sig selv.

Video af partikelsortering ved hjælp af et elastomert trin drevet af den bløde ringoscillator. Kredit:Preston et al., Sci. Robot. 4, eaaw5496 (2019)

"Ringoscillatoren er rigtig god til ting som rullende bevægelser, " siger Preston. Rulning kræver koordinering af flere handlinger i tid. Et enkelt input og output vil ikke være tilstrækkeligt. F.eks. for at få deres sekskantede skumrobot til at rulle fremad, ringoscillatoren hjælper med at puste en ballon op bag robotten og tømme en foran på nøjagtig samme tid. Det koordinerede tryk-og-slip flytter sekskanten fremad igen og igen, mens ballonerne pustes op og tømmes i perfekt synkronisering.

Endnu en prototype giver et mere håndgribeligt formål. Et tekstilbaseret ærme, viklet om underbenet og sikret med velcro, udøver koordineret pres, "pumper" væske op i benet.

Video af aktivering af en rullende blød robot med en integreret blød ringoscillator. Kredit:Preston et al., Sci. Robot. 4, eaaw5496 (2019)

Ifølge nyere undersøgelser, denne "pumpende" bevægelse forbedrer symptomer på lymfødem og kronisk venøs sygdom bedre end simpel kompression. Enheden kan også hjælpe sygeplejersker, tjenere, og politibetjente forhindrer dyb venetrombose, et resultat af lange skift på trætte fødder.

Før de starter kliniske forsøg med deres ærme, holdet ønsker at måle interessen. Hvis nok mennesker higer efter en blødere, billigere måde at lindre og forebygge symptomer på, produktet kan bare finde et stort nok marked til at fortjene yderligere forskning.

Demonstration af en enkelt inverter (ventil) struktur i den bløde ringoscillatoren, når luftstrømmen er slået fra og til. Kredit:Preston et al., Sci. Robot. 4, eaaw5496 (2019)

De lave omkostninger ved Prestons materialer - gummilignende silikone-elastomerer - gør dem ideelle til mere end blot billig hjemmepleje. Biokompatibel, engangs, blid, og sterile versioner kunne bruges til laboratorieeksperimenter, medicin levering, eller endda medicinsk udstyr inde i kroppen som dette ærme, der hjælper hjertet med at slå. Prestons endelige prototype kan sortere tre forskellige farvede væsker baseret på en forudbestemt rækkefølge og tid, et værktøj, der kunne vise sig nyttigt for kemikere.

Selvom alle Prestons prototyper kun er lavet med bløde materialer, de er endnu ikke ubundne:Alle er afhængige af en konstant kilde til trykluft. Alligevel har Preston og hans kolleger et par løsninger til dette, også. Til benærmet, patienter kunne give deres egen luft med en håndholdt pumpe som dem, der bruges til at måle blodtryk. Og bløde robotter i skyttegravene kunne bruge mobile kuldioxidpatroner, spændt på som en rygsæk, eller gasgenererende kemiske reaktioner for at sætte botten i gang.

Video af væskeseparation styrede den bløde ringoscillator. Kredit:Preston et al., Sci. Robot. 4, eaaw5496 (2019)

Men Preston forventer, at hans nye værktøj opnår langt mere end de applikationer, der er demonstreret i hans fem prototyper. Da papiret forklarer, hvordan man kopierer og tilpasser designet, han håber, at andre laboratorier vil finde endnu flere anvendelser. "Folk kan bruge den bløde ringoscillator til mange forskellige applikationer inden for blød robotteknologi, nogle af dem har vi måske ikke engang tænkt på eller forestillet os endnu."


Varme artikler