Forskere udvikler bløde ventiler til at lave helt bløde robotter

I de seneste år, en helt ny klasse af robotter – inspireret af naturlige former og bygget ved hjælp af bløde, fleksible elastomerer - har taget feltet med storm, med design, der er i stand til at gribe genstande, gå, og endda hoppe.

Men på trods af disse innovationer, såkaldte "bløde" robotter bar stadig nogle "hårde" dele.

I særdeleshed, sagde Philipp Rothemund, en ph.d.-studerende, der arbejder i laboratoriet hos Woodford L. og Ann A. Flowers University Professor George Whitesides, robotternes oppustning og tømning blev typisk styret af hylde pneumatiske ventiler - indtil nu.

Rothemund og postdoc Daniel Preston har skabt en blød ventil, der kunne erstatte sådanne hårde komponenter, og kunne føre til skabelsen af ​​helt bløde robotter. Ventilens struktur kan også bruges til at producere unikke, oscillerende adfærd og kunne endda bruges til at bygge bløde logiske kredsløb. Ventilen er beskrevet i et nyligt offentliggjort papir i Videnskab robotik .

Ud over Rothemund og Preston, undersøgelsen er medforfatter af Alar Ainla, Lee Belding, og Sarah Kurihara fra Institut for Kemi og Kemisk Biologi, Zhigang Suo fra Kavli Institute for Bionano Science &Technology, og Whitesides.

"Folk har bygget mange forskellige typer bløde robotter ... og alle i sidste ende styres af hårde ventiler, " sagde Rothemund. "Vores idé var at bygge disse kontrolfunktioner ind i selve robotten, så vi får ikke brug for disse hårde, eksterne dele længere. Denne ventil kombinerer to enkle ideer – for det første, membranen ligner "popper" legetøj, og det andet er, at når du knækker disse rør, det er ligesom når man knækker en haveslange for at blokere for vandgennemstrømningen."

Ventilen demonstreret af Preston og Rothemund er indbygget i en cylinder, der er adskilt af en silikonemembran, skabe et øvre og nedre kammer.

Tryk på det nedre kammer tvinger membranen til at springe op, og frigivelse af trykket får den til at springe tilbage til sin "hvilende" tilstand. Hvert kammer indeholder også et rør, der kan knækkes, når membranen skifter orientering, effektivt at tænde eller slukke for ventilen.

"Uanset hvilken retning det er i, det knækker et rør over eller under, " sagde Preston. "Så når den er poppet ned, bundrøret er bøjet, og der er ingen luftstrøm gennem bundrøret. Når membranen dukker op, toprøret er bøjet, bundrøret vil løsne sig, og luft kan strømme gennem bundrøret. Vi kan skifte frem og tilbage mellem disse to tilstande ... for at skifte output."

På nogle måder, Preston og Rothemund sagde, ventilen repræsenterer en ny tilgang til blød robotteknologi.

Mens det meste arbejde på området hidtil har fokuseret på funktion - at bygge robotter, der kan gribe eller fungere som bløde kirurgiske retraktorer - ser Rothemund og Preston ventilen som en nøglekomponent, der kan bruges i et hvilket som helst antal enheder.

"Ideen er, at dette fungerer med enhver blød aktuator, " sagde Rothemund. "Dette besvarer ikke spørgsmålet om, hvordan man laver en griber, men det tager et skridt tilbage og siger, at mange bløde robotter arbejder efter det samme princip om inflation og deflation, så alle de robotter kunne bruge denne ventil."

Preston og Rothemund var i stand til at tilpasse ventilen til at udføre nogle handlinger, såsom at gribe fat i en genstand, selvstændigt.

I en demonstration, Rothemund forklarede, ventilen var indbygget i en flerfingret griber, men en lille udluftning blev tilføjet for at tillade lufttrykket at undslippe ventilens bundkammer. Når griberen blev sænket ned på en tennisbold, imidlertid, udluftningen var lukket, får bundkammeret til at blive under tryk, aktivering af ventilen, og sætte griberen i gang.

"Så dette integrerer funktionen i robotten, " sagde han. "Folk har lavet gribere før, men der var altid nogen, der stod der for at se, at griberen var tæt nok til at aktiveres. Det gør det automatisk."

Holdet var også i stand til at bygge et "feedback"-system, der når den bliver fodret af en enkelt, konstant tryk, fik ventilen til hurtigt at svinge mellem tilstande.

I det væsentlige, Preston sagde, systemet ledte lufttryk gennem det øverste kammer og ind i bunden. Når ventilen sprang i hævet position, det afbrød trykket, lader det nederste kammer udluftes, at slippe trykket og få membranen til at vende tilbage til den nede position, starte cyklussen igen.

"Vi udnyttede det faktum, at trykket, der får membranen til at vippe op, er anderledes end det tryk, der kræves for at vippe ned igen, " forklarede han. "Så når vi fører output tilbage til selve ventilen, vi får denne oscillerende adfærd."

Ved at bruge den adfærd, holdet var i stand til at bygge en simpel "inchworm"-robot, der var i stand til at bevæge sig, baseret på en enkelt ventil, der modtog et enkelt inputtryk.

"Så med et konstant pres, vi var i stand til at få denne gangbevægelse, " sagde Preston. "Vi kontrollerer ikke denne gang overhovedet - vi indtaster bare et enkelt tryk, og det går af sig selv."

Fremadrettet, Rothemund sagde:der skal arbejdes mere for at forfine ventilen yderligere, så den kan optimeres til forskellige anvendelser og forskellige geometrier.

"Dette var bare en demonstration med membranen, " sagde han. "Der er mange forskellige geometrier, der viser denne type bistabil adfærd ... så nu kan vi faktisk tænke på at designe dette, så det passer ind i en robot, afhængig af hvilken applikation du har i tankerne."

Preston håber også at undersøge, om ventilen - fordi den altid er i en af ​​to tilstande - kan bruges som en type transistor til at danne logiske kredsløb.

"Det er lidt ligesom en transistor på en måde, " sagde han. "Du kan få et inputtryk til at komme ind og skifte, hvad outputtet skal være ... i den forstand kunne vi tænke på dette næsten som en byggeklods til en fuldstændig blød computer."

Denne historie er offentliggjort med tilladelse fra Harvard Gazette, Harvard Universitys officielle avis. For yderligere universitetsnyheder, besøg Harvard.edu.