Forskere udvikler en hurtig, lavspændingsaktuator til blød og bærbar robotteknologi

I en verden af ​​robotter, bløde robotter er de nye børn på blokken. De unikke egenskaber ved disse automater er at bøje, deformere, strække, vride eller klem på alle de måder, som konventionelle stive robotter ikke kan.

I dag, det er let at forestille sig en verden, hvor mennesker og robotter samarbejder – i umiddelbar nærhed – i mange riger. Nye bløde robotter kan være med til at sikre, at dette kan gøres sikkert, og på en måde, der synkroniserer til menneskelige miljøer eller endda grænseflader med mennesker selv.

"Nogle af fordelene ved bløde robotsystemer er, at de nemt kan tilpasse sig ustrukturerede miljøer, eller til uregelmæssige eller bløde overflader, såsom den menneskelige krop, " sagde UC Santa Barbara, professor i elektrisk og computeringeniør Yon Visell.

På trods af deres løfte, til dato, de fleste bløde robotter bevæger sig langsomt og klodset sammenlignet med mange konventionelle robotter. Imidlertid, kløften mindskes takket være nye udviklinger i den grundlæggende enhed for robotbevægelse:aktuatoren. Ansvarlig for den mekaniske bevægelse af en mekanisme eller en maskine, aktuatorer udfører deres arbejde på forskellige måder, afhængig af elektromagnetiske, piezoelektriske, pneumatiske eller andre kræfter.

Nu, Visell og hans UCSB-samarbejdspartnere har giftet sig med de elektromagnetiske drev, der bruges i de fleste konventionelle robotsystemer med bløde materialer, for at opnå både hastighed og blødhed. "En interessant biologisk analog til aktuatoren beskrevet i vores nye arbejde kan være en hurtig trækningsmuskel, " sagde Visell, som sammen med UCSB kemi- og biokemiprofessor Thuc-Quyen Nguyen, og postdocs Thanh Nho Do og Hung Phan, forfattet papiret "Soft Electromagnetic Actuators for Robotic Applications." Artiklen vises på forsiden af ​​tidsskriftet Avancerede funktionelle materialer .

Den største udfordring for Visell og kolleger var at bygge en aktuator, der kunne opnå højere hastigheder, end hvad der typisk har været muligt med bløde robotaktuatorer, hvoraf mange afhænger af langsomme processer, såsom luftstrøm eller termiske effekter.

"I dette projekt vi ville se, hvor langt vi kunne skubbe ideen om at have meget hurtigt, lavspændingsaktivering inden for et fuldt blødt robotparadigme, " sagde han. De baserede deres arbejde på den elektromagnetiske motor, en almindelig type hurtig og lavspændingsaktuator, der bruges i alt fra elbiler til apparater, men har ikke set meget effektiv anvendelse i bløde robotsystemer.

Teamets arbejde har resulteret i en type aktuator, der er hurtig, lav spænding og blød - og også bemærkelsesværdig lille, kun et par millimeter i størrelse. Brug af unikke, flydende metallegeringsledere indkapslet i hule polymerfibre og magnetiserede polymerkompositter, forskerne skabte mønstrede, tredimensionelle komponenter, der danner grundlaget for bløde analoger af standard elektriske motorer. Fibrene i sig selv er polymerkompositter, som teamet konstruerede til at have høj varmeledningsevne, i høj grad forbedre deres præstationer.

"Vi indså komponenter, der hver især er bløde og strækbare, og kombinerede dem for at skabe disse motorlignende strukturer, der kan flytte ting, " sagde Visell. For at demonstrere, de skabte en lille, millimeter bred griber, der kan lukke på blot millisekunder, og en blød taktil stimulator, der kan fungere ved frekvenser på hundredvis af cyklusser i sekundet.

Disse enheder kan finde anvendelse i nye områder såsom haptics, hvor der søges berøringsfeedback til applikationer, herunder virtual reality og, selvfølgelig haptikernes nære slægtning - blød robotik. "Disse bløde elektromagnetiske aktuatorer kan bruges til at skabe taktile skærme, der passer til menneskelig hud, eller miniature robotværktøjer til kirurgisk endoskopi eller andre medicinske anvendelser, " sagde postdoc Thanh Nho Do.

"Vi ser frem til at anvende disse nye bløde robotteknologier på områder lige fra virtual reality, augmented reality, bærbare teknologier, sundhedspleje og medicin, " sagde Visell. "Horizonten er vid åben."