Robotter med klæbrige fødder kan klatre op, ned, og rundt omkring

Jetmotorer kan have op til 25, 000 enkelte dele, gør regelmæssig vedligeholdelse til en kedelig opgave, der kan tage over en måned pr. motor. Mange komponenter er placeret dybt inde i motoren og kan ikke inspiceres uden at skille maskinen ad, tilføjer tid og omkostninger til vedligeholdelse. Dette problem er ikke kun begrænset til jetmotorer, enten; mange komplicerede, dyre maskiner som entreprenørudstyr, generatorer, og videnskabelige instrumenter kræver store investeringer af tid og penge at inspicere og vedligeholde.

Forskere ved Harvard Universitys Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering og John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) har skabt en mikrorobot, hvis elektroklæbende trædepuder, origami ankelled, og specielt konstrueret gangart gør det muligt for den at klatre på lodrette og omvendt ledende overflader, som de indvendige vægge i en kommerciel jetmotor. Arbejdet rapporteres i Videnskab robotik .

"Nu hvor disse robotter kan udforske i tre dimensioner i stedet for bare at bevæge sig frem og tilbage på en flad overflade, der er en helt ny verden, som de kan bevæge sig rundt i og engagere sig i, " sagde førsteforfatter Sébastien de Rivaz, en tidligere forskningsstipendiat ved Wyss Institute og SEAS, som nu arbejder hos Apple. "De kunne en dag muliggøre ikke-invasiv inspektion af svært tilgængelige områder af store maskiner, sparer virksomheder for tid og penge og gør disse maskiner mere sikre."

Den nye robot, kaldet HAMR-E (Harvard Ambulatory Micro-Robot with Electroadhesion), blev udviklet som svar på en udfordring udstedt til Harvard Microrobotics Lab af Rolls-Royce, som spurgte, om det ville være muligt at designe og bygge en hær af mikrorobotter, der er i stand til at klatre inde i dele af dens jetmotorer, der er utilgængelige for menneskelige arbejdere. Eksisterende klatrerobotter kan tackle lodrette overflader, men oplever problemer, når du forsøger at klatre på hovedet, da de kræver en stor mængde klæbekraft for at forhindre dem i at falde.

Holdet baserede HAMR-E på en af ​​dets eksisterende mikrorobotter, HAMR, hvis fire ben gør det muligt at gå på flade overflader og svømme gennem vand. Mens det grundlæggende design af HAMR-E ligner HAMR, forskerne skulle løse en række udfordringer for at få HAMR-E til at holde sig til og krydse lodret, omvendt, og buede overflader, som den ville støde på i en jetmotor.

Først, de havde brug for at skabe klæbende trædepuder, der ville holde robotten fastgjort til overfladen, selv når den var på hovedet, men også slip for at lade robotten "gå" ved at løfte og placere sine fødder. Puderne består af en polyimid-isoleret kobberelektrode, som muliggør generering af elektrostatiske kræfter mellem puderne og den underliggende ledende overflade. Fodpuderne kan let frigøres og genindkobles ved at tænde og slukke for det elektriske felt, som fungerer ved en spænding svarende til den, der kræves for at bevæge robottens ben, kræver derfor meget lidt ekstra strøm. De elektroklæbende trædepuder kan generere forskydningskræfter på 5,56 gram og normale kræfter på 6,20 gram - mere end nok til at forhindre, at robotten på 1,48 gram glider ned eller falder ned fra klatreoverfladen. Ud over at give høje klæbekræfter, puderne er designet til at kunne bøje, således at robotten kan klatre på buede eller ujævne overflader.

Forskerne skabte også nye ankelled til HAMR-E, der kan rotere i tre dimensioner for at kompensere for rotationer af dens ben, mens den går, så den kan bevare sin orientering på klatreoverfladen. Samlingerne blev fremstillet af lagdelt glasfiber og polyimid, og foldet til en origami-lignende struktur, der tillader anklerne på alle benene at rotere frit, og passivt at tilpasse sig terrænet, når HAMR-E klatrer.

Endelig, forskerne skabte et særligt gangmønster for HAMR-E, da den hele tiden skal have tre trædepuder, der rører en lodret eller omvendt overflade for at forhindre den i at falde eller glide af. Den ene fod slipper fra overfladen, svinger frem, og fastgøres igen, mens de resterende tre fødder forbliver fastgjort til overfladen. På samme tid, et lille drejningsmoment påføres af foden diagonalt over for den løftede fod for at forhindre robotten i at bevæge sig væk fra klatreoverfladen under bensvingningsfasen. Denne proces gentages for de tre andre ben for at skabe en fuld gangcyklus, og er synkroniseret med mønsteret af elektrisk feltskift på hver fod.

Da HAMR-E blev testet på lodrette og omvendte overflader, den var i stand til at nå mere end hundrede skridt i træk uden at løsne sig. Den gik med hastigheder, der kunne sammenlignes med andre små klatrerobotter på omvendte overflader og lidt langsommere end andre klatrerobotter på lodrette overflader, men var betydeligt hurtigere end andre robotter på vandrette overflader, hvilket gør det til en god kandidat til at udforske miljøer, der har en række forskellige overflader i forskellige arrangementer i rummet. Den er også i stand til at udføre 180 graders drejninger på vandrette overflader.

HAMR-E manøvrerede også med succes omkring en buet, omvendt del af en jetmotor, mens den forbliver fastgjort, og dens passive ankelled og klæbende trædepuder var i stand til at rumme de ru og ujævne træk ved motoroverfladen blot ved at øge elektroadhæsionsspændingen.

Holdet fortsætter med at forfine HAMR-E, og planlægger at inkorporere sensorer i sine ben, der kan registrere og kompensere for afmonterede trædepuder, hvilket vil hjælpe med at forhindre det i at falde af lodrette eller omvendte overflader. HAMR-E's nyttelastkapacitet er også større end dens egen vægt, åbner muligheden for at medbringe en strømforsyning og anden elektronik og sensorer til at inspicere forskellige miljøer. Holdet undersøger også mulighederne for at bruge HAMR-E på ikke-ledende overflader.

"Denne gentagelse af HAMR-E er det første og mest overbevisende skridt mod at vise, at denne tilgang til en klatrerobot i centimeterskala er mulig, og at sådanne robotter i fremtiden kan bruges til at udforske enhver form for infrastruktur, herunder bygninger, rør, motorer, generatorer, og mere, " sagde den tilsvarende forfatter Robert Wood, Ph.D., som er et Founding Core Faculty-medlem af Wyss Institute samt Charles River Professor of Engineering and Applied Sciences ved SEAS.

"Mens akademiske forskere er meget gode til at komme med grundlæggende spørgsmål at udforske i laboratoriet, nogle gange kræves samarbejde med industrielle videnskabsmænd, der forstår problemer i den virkelige verden, for at udvikle innovative teknologier, der kan omsættes til nyttige produkter. Vi er glade for at hjælpe med at katalysere disse samarbejder her på Wyss Institute, og at se de banebrydende fremskridt, der dukker op, " sagde Wyss stiftende direktør Donald Ingber, M.D., Ph.D., som også er Judah Folkman Professor i Vascular Biology ved Harvard Medical School og Vascular Biology Program ved Boston Children's Hospital, og professor i bioingeniør ved SEAS.