Gecko-inspirerede klæbemidler hjælper bløde robotfingre med at få et bedre greb

Et team af californiske forskere har udviklet en robotgriber, der kombinerer gekkotæernes klæbende egenskaber og tilpasningsevnen af ​​luftdrevne bløde robotter til at gribe en meget bredere række af objekter end den nyeste.

Forskere vil præsentere deres resultater på 2018 International Conference on Robotics and Automation 21. til 25. maj i Brisbane, Australien. Griberen kan løfte op til 45 lbs. og kan bruges til at gribe objekter i en lang række indstillinger, fra fabriksgulve til den internationale rumstation.

Gekkoer er kendt som naturens bedste klatrere på grund af en sofistikeret gribemekanisme på deres tæer. I tidligere arbejde, forskere ved Stanford University og Jet Propulsion Laboratory genskabte den mekanisme med et syntetisk materiale kaldet et gekko-inspireret klæbemiddel. Dette materiale blev primært brugt på flade overflader som vægge. I det nuværende arbejde, forskere gik sammen med ingeniører ved University of California San Diego. Holdet beklædte fingrene på en blød robotgriber med gekko-klæbemidlet, giver den mulighed for at få et fastere greb om en lang række genstande, inklusive piber og krus, mens de stadig er i stand til at håndtere ru genstande som sten. Griberen kan også gribe genstande i forskellige positioner, for eksempel at gribe et krus i mange forskellige vinkler.

Forskere viste, at griberen kunne gribe og manipulere ru, porøse og snavsede genstande, såsom vulkanske klipper - en opgave, der typisk er udfordrende for gekko-klæbemidler. Den var også i stand til at samle stykker af store, cylindrisk rør - en opgave, der typisk er vanskelig for bløde robotgribere.

"Vi indså, at disse to komponenter, blød robotteknologi og gekko-klæbemidler, supplerer hinanden rigtig godt, " sagde Paul Glick, avisens første forfatter og en ph.d. studerende i Bioinspired Robotics and Design Lab på Jacobs School of Engineering ved UC San Diego.

Gekkoen er en af ​​naturens bedste klatrere, takket være millioner af mikroskopiske hår, med træk, der er omkring 20 til 30 gange mindre end et menneskehår, som gør det muligt for den at klatre på stort set enhver overflade. Hårene ender i bittesmå nanostrukturer, der interagerer på atomniveau med molekyler på overfladen, gekkoen forsøger at gribe. Denne interaktion, drevet af det, der kaldes van der Waals-kræfter, får gekkoens tæer til nemt at sætte sig og løsne efter behov. Forskere ved JPL bruger syntetiske materialer og lignende rækker af mikroskopiske funktioner til at udnytte kraften fra van der Waals kræfter og viste, at disse klæbemidler beholdt mange af de samme egenskaber som tæerne på dyr, der inspirerede dem.

Fordi gekko-klæbemidler er drevet af molekylære interaktioner mellem overflader, de fungerer bedst, når de har en stor kontaktflade. Belægning af indersiden af ​​de bløde robotfingre med disse klæbemidler maksimerer mængden af ​​overfladeareal, de kommer i kontakt med, sikrer et bedre greb.

Ingeniørteamet løser to forskellige problemer i dette papir.

Først, forskere ved UC San Diego gik i gang med at sikre sig, at griberens fingre ville bevare konstant kontakt med overfladen af ​​enhver genstand. Et almindeligt problem med luftdrevne bløde fingre er, at de har tendens til at bule på midten, når de er oppustet, reducere denne overfladekontakt.

Glick fandt en undersøgelse fra 1970'erne, der gav de ligninger, der var nødvendige for at løse problemet i designprocessen. Dette gjorde det muligt for forskere at få griberen til at anvende de korrekte kræfter langs hele fingrenes længde.

For det andet forskerne fokuserede på at fordele kræfter på overflader, der ikke er flade for at optimere ydeevnen af ​​gekko-inspirerede klæbemidler. Forskerne fandt en måde at fordele kraft på langs en blød, fleksibel griber, samtidig med at den produktionspræcision, der kræves for klæbemidlerne, opretholdes.

Holdet gjorde dette ved at bruge et højstyrkestof indlejret i fingeren, der nemt kan bøjes, men som modstår strækning for at understøtte større belastninger. Fingrene er stift fastspændt til en base, som forhindrer, at den let strækbare silikone deformeres ud over det nødvendige. Denne kombination af bløde og stive materialer lader griberen tilpasse sig mange genstande, mens den modstår store kræfter.

Selve gekko-limene er lavet i en tre-trins proces. En original mestergekko-klæbeform med millioner af mikroskopiske strukturer fremstilles i et rent rum ved hjælp af en fotolitografiproces. Derefter, vokskopier af masterformen kan laves til lave omkostninger. Forskerne kan derefter lave så mange kopier af de klæbende ark fra voksformen, som de ofte vil, ved at bruge en proces kaldet spincoating. Dette giver dem mulighed for at lave 10 til 20 klæbende ark på under en time. I mellemtiden selve den bløde robotgriber er støbt i 3D-printforme og er lavet af silikonebaseret gummi.

De næste trin i forskningen omfatter udvikling af algoritmer til greb, der udnytter klæbemidlerne, og undersøger brugen af ​​denne griber til nul-tyngdekraft og rumoperationer.