Slange-inspireret robot bruger kirigami til at bevæge sig

Hvem har brug for ben? Med deres slanke kroppe, slanger kan glide op til 14 miles i timen, klemme ind på trang plads, skæltræer og svøm. Hvordan gør de det? Det hele er i vægtskålen. Når en slange bevæger sig, dens skalaer griber jorden og driver kroppen fremad - svarende til hvordan stegjern hjælper vandrere med at etablere fodfæste i glat is. Denne såkaldte friktionsassisterede bevægelse er mulig på grund af formen og placeringen af ​​slangeskæl.

Nu, et team af forskere fra Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) har udviklet en blød robot, der bruger de samme bevægelsesprincipper til at kravle uden nogen stive komponenter. De bløde robotvægte er lavet ved hjælp af kirigami - et gammelt japansk papirhåndværk, der er afhængig af snit, snarere end origami folder, at ændre et materiales egenskaber. Når robotten strækker sig, den flade kirigami-overflade omdannes til en 3D-tekstureret overflade, som griber jorden ligesom slangeskind.

Forskningen er publiceret i Science Robotics .

"Der har været meget forskning i de senere år i, hvordan man fremstiller den slags morfable, strækbare strukturer, " sagde Ahmad Rafsanjani, en postdoc ved SEAS og førsteforfatter til papiret. "Vi har vist, at kirigami principper kan integreres i bløde robotter for at opnå bevægelse på en måde, der er enklere, hurtigere og billigere end de fleste tidligere teknikker."

Forskerne startede med en simpel, flad plastikplade. Ved hjælp af en laserskærer, de indlejrede en række snit i centimeterskala, eksperimenterer med forskellige former og størrelser. Når den er skåret, forskerne viklede arket rundt om en rørlignende elastomeraktuator, som udvider sig og trækker sig sammen med luft som en ballon.

Når aktuatoren udvides, kirigami skærer pop-out ud, danner en ru overflade, der griber jorden. Når aktuatoren tømmes for luft, snittene foldes fladt, at drive crawleren frem.

Forskerne byggede en fuldstændig ubundet robot, med dens integrerede indbyggede kontrol, sansning, aktivering og strømforsyning pakket ind i en lille hale. De testede det kravlende på hele Harvards campus.

Teamet eksperimenterede med forskellige formede snit, inklusive trekantede, cirkulær og trapezformet. De fandt ud af, at trapezformede snit - der mest ligner formen på slangeskalaer - gav robotten et længere skridt.

"Vi viser, at lokomotivegenskaberne af disse kirigami-skind kan udnyttes ved korrekt afbalancering af snitgeometrien og aktiveringsprotokollen, " sagde Rafsanjani. "Vi går fremad, disse komponenter kan optimeres yderligere for at forbedre systemets respons."

"Vi mener, at vores kirigami-baserede strategi åbner muligheder for design af en ny klasse af bløde crawlere, " sagde Katia Bertoldi, William og Ami Kuan Danoff professor i anvendt mekanik og seniorforfatter af papiret. "Disse bløde robotter i terræn kan en dag rejse på tværs af vanskelige miljøer for at udforske, inspektion, overvågning og eftersøgnings- og redningsmissioner eller udføre komplekse, laparoskopiske medicinske procedurer."