En gummicomputer eliminerer de sidste hårde komponenter fra bløde robotter

En blød robot, fastgjort til en ballon og nedsænket i en gennemsigtig søjle af vand, dyk og overflader, derefter dykker og overflader igen, som en fisk, der jagter fluer. Bløde robotter har udført denne slags trick før. Men i modsætning til de fleste bløde robotter, denne er fremstillet og betjent uden hårde eller elektroniske dele. Inde, en blød, gummicomputer fortæller ballonen, hvornår den skal stige eller ned. For første gang, denne robot er udelukkende afhængig af blød digital logik.

I det sidste årti, bløde robotter er steget ind i den metal-dominerende verden af ​​robotteknologi. Gribere fremstillet af gummiagtige silikone materialer bruges allerede i samlebånd:Polstrede kløer håndterer sart frugt og grønt som tomater, selleri, og pølseforbindelser, eller udtrække flasker og trøjer fra kasser. I laboratorier, griberne kan hente glatte fisk, levende mus, og endda insekter, eliminerer behovet for mere menneskelig interaktion.

Bløde robotter kræver allerede enklere kontrolsystemer end deres hårde modstykker. Griberne er så kompatible, de kan simpelthen ikke udøve nok tryk til at beskadige en genstand og uden behov for at kalibrere tryk, en enkel tænd / sluk-kontakt er tilstrækkelig. Men indtil nu, de fleste bløde robotter er stadig afhængige af noget hardware:Metalventiler åbner og lukker luftkanaler, der driver gummigribere og arme, og en computer fortæller disse ventiler, hvornår de skal flyttes.

Nu, forskere har bygget en blød computer, der kun bruger gummi og luft. "Vi efterligner tankeprocessen for en elektronisk computer, kun ved hjælp af bløde materialer og pneumatiske signaler, udskiftning af elektronik med trykluft, "siger Daniel J. Preston, første forfatter på et papir udgivet i PNAS og en postdoktoral forsker, der arbejder med George Whitesides, Woodford L. og Ann A. Flowers University Professor.

For at træffe beslutninger, computere bruger digitale logikporte, elektroniske kredsløb, der modtager meddelelser (input) og bestemmer reaktioner (output) baseret på deres programmering. Vores kredsløb er ikke så anderledes:Når en læge slår en senen under vores knæskallen (input), nervesystemet er programmeret til at rykke vores ben (output).

Prestons bløde computer efterligner dette system ved hjælp af silikoneslanger og trykluft. For at opnå de mindste typer logiske porte, der kræves til komplekse operationer - i dette tilfælde, IKKE, OG, og ELLER - han programmerede de bløde ventiler til at reagere på forskellige lufttryk. For IKKE logisk port, for eksempel, hvis input er højt tryk, output vil være lavt tryk. Med disse tre logiske porte, Preston siger, "du kan gentage enhver adfærd, der findes på enhver elektronisk computer."

Den bobbende fisklignende robot i vandtanken, for eksempel, bruger en omgivelsestryksensor (en modificeret NOT -port) til at bestemme, hvilken handling der skal foretages. Robotten dykker, når kredsløbet fornemmer lavt tryk i toppen af ​​tanken og overflader, når det mærker højt tryk i dybden. Robotten kan også overflade på kommando, hvis nogen trykker på en ekstern soft -knap.

Robotter bygget med kun bløde dele har flere fordele. I industrielle omgivelser, ligesom bilfabrikker, massive metalmaskiner arbejder med blind hastighed og kraft. Hvis et menneske kommer i vejen, en hård robot kan forårsage uoprettelig skade. Men hvis en blød robot støder ind i et menneske, Preston siger, "du skal ikke bekymre dig om skade eller en katastrofal fiasko." De kan kun udøve så meget kraft.

Men bløde robotter er mere end bare sikrere:De er generelt billigere og enklere at lave, let vægt, modstandsdygtig over for skader og ætsende materialer, og holdbar. Tilføj intelligens og bløde robotter kan bruges til meget mere end bare håndtering af tomater. For eksempel, en robot kunne mærke en brugers temperatur og levere et blødt klem for at angive feber, advare en dykker, når vandtrykket stiger for højt, eller skubbe snavs efter en naturkatastrofe for at hjælpe med at finde ofre og tilbyde hjælp.

Bløde robotter kan også vove sig, hvor elektronik kæmper:Høje strålingsfelter, som dem, der er produceret efter en nuklear funktionsfejl eller i det ydre rum, og inden i Magnetic Resonance Imaging (MRI) maskiner. I kølvandet på en orkan eller oversvømmelse, en hårdfør blød robot kunne klare farligt terræn og skadelig luft. "Hvis den bliver kørt over af en bil, det bliver bare ved, hvilket er noget vi ikke har med hårde robotter, "Siger Preston.

Preston og kolleger er ikke de første til at styre robotter uden elektronik. Andre forskerhold har designet mikrofluidiske kredsløb, som kan bruge væske og luft til at skabe ikke -elektroniske logiske porte. En mikrofluidisk oscillator hjalp en blød blæksprutteformet robot til at svinge alle otte arme.

Endnu, mikrofluidiske logiske kredsløb er ofte afhængige af hårde materialer som glas eller hård plast, og de bruger så tynde kanaler, at kun små mængder luft kan bevæge sig igennem ad gangen, bremser robotens bevægelse. Sammenlignet med, Prestons kanaler er større - tæt på en millimeter i diameter - hvilket muliggør meget hurtigere luftstrømningshastigheder. Hans luftbaserede griber kan gribe et objekt på få sekunder.

Mikrofluidiske kredsløb er også mindre energieffektive. Selv i hvile, enhederne bruger en pneumatisk modstand, som flyder luft fra atmosfæren til enten et vakuum eller en trykkilde for at opretholde stasis. Prestons kredsløb kræver ingen energiindgang, når de er i dvale. Sådan energibesparelse kan være afgørende i nøds- eller katastrofsituationer, hvor robotterne rejser langt fra en pålidelig energikilde.

Gummirobotterne tilbyder også en fristende mulighed:Usynlighed. Afhængigt af hvilket materiale Preston vælger, han kunne designe en robot, der er indeksmatchet til et bestemt stof. Så, hvis han vælger et materiale, der camouflerer i vand, robotten fremstår gennemsigtig, når den er nedsænket. I fremtiden, han og hans kolleger håber at skabe autonome robotter, der er usynlige for det blotte øje eller endda ekkoloddetektering. "Det er bare et spørgsmål om at vælge de rigtige materialer, " han siger.

For Preston, de rigtige materialer er elastomerer (eller gummi). Mens andre felter jagter højere magt med maskinlæring og kunstig intelligens, Whitesides -teamet vender sig væk fra den stigende kompleksitet. "Der er meget kapacitet der, "Preston siger, "men det er også godt at tage et skridt tilbage og tænke over, om der er en enklere måde at gøre ting på, der giver dig det samme resultat, især hvis det ikke kun er enklere, det er også billigere. "