Nyt robotkoncept bruger responsive materialer til at svømme gennem vandet

Ingeniører hos Caltech og ETH Zürich har udviklet robotter, der er i stand til selvfremdrift uden at bruge nogen motorer, servoer, eller strømforsyning. I stedet, disse første af deres slags enheder padler gennem vand, da materialet, de er konstrueret af, deformeres med temperaturændringer.

Værket udvisker grænsen mellem materialer og robotter. I de selvkørende enheder, selve materialet får maskinen til at fungere. "Vores eksempler viser, at vi kan bruge strukturerede materialer, der deformeres som reaktion på miljømæssige signaler, at styre og drive robotter, " siger Daraio, professor i maskinteknik og anvendt fysik i Caltechs afdeling for ingeniørvidenskab og anvendt videnskab, og tilsvarende forfatter til et papir, der afslører robotterne, der vises i Proceedings of the National Academy of Sciences den 15. maj.

Det nye fremdriftssystem er afhængigt af strimler af en fleksibel polymer, der krølles, når det er koldt og strækkes ud, når det er varmt. Polymeren er placeret til at aktivere en kontakt inde i robottens krop, der igen er knyttet til en pagaj, der ror den frem som en robåd.

Kontakten er lavet af et bistabilt element, som er en komponent, der kan være stabil i to forskellige geometrier. I dette tilfælde, den er bygget af strimler af et elastisk materiale, der, når den presses på af polymeren, snapper fra en position til en anden.

Når den kolde robot placeres i varmt vand, polymeren strækker sig ud, aktiverer kontakten, og den resulterende pludselige frigivelse af energi padler robotten fremad. Polymerstrimlerne kan også "tunes" til at give specifikke svar på forskellige tidspunkter:dvs. en tykkere strimmel vil tage længere tid at varme op, strække ud, og i sidste ende aktivere sin pagaj end en tyndere strimmel. Denne indstilling giver teamet mulighed for at designe robotter, der er i stand til at dreje og bevæge sig ved forskellige hastigheder.

Forskningen bygger på tidligere arbejde af Daraio og Dennis Kochmann, professor i rumfart ved Caltech. De brugte kæder af bistabile elementer til at transmittere signaler og bygge computerlignende logiske porte.

I den seneste iteration af designet, Daraios team og samarbejdspartnere var i stand til at forbinde polymerelementerne og switchene på en sådan måde at få en fire-padlet robot til at drive sig fremad, aflever en lille nyttelast (i dette tilfælde, et token med et Caltech segl prydet på det), og padle baglæns.

"Ved at kombinere simple bevægelser sammen, vi var i stand til at integrere programmering i materialet for at udføre en sekvens af kompleks adfærd, " siger Caltech postdoc Osama R. Bilal, co-første forfatter af PNAS papir. I fremtiden, flere funktionaliteter og ansvarsområder kan tilføjes, for eksempel ved at bruge polymerer, der reagerer på andre miljømæssige signaler, som pH eller saltholdighed. Fremtidige versioner af robotterne kan indeholde kemikaliespild eller i mindre skala, levere stoffer, siger forskerne.

I øjeblikket, når de bistabile elementer snapper og frigiver deres energi, de skal nulstilles manuelt for at kunne fungere igen. Næste, holdet planlægger at udforske måder at redesigne de bistabile elementer på, så de er selvnulstillede, når vandtemperaturen skifter igen - hvilket gør dem potentielt i stand til at svømme videre i det uendelige, så længe vandtemperaturen bliver ved med at svinge.

PNAS-avisen har titlen "Udnyttelse af bistabilitet til retningsbestemt fremdrift af bløde, ubundne robotter."