Et bærbart tekstilbaseret pneumatisk energihøstsystem til assisterende robotteknologi

Alle kunne bruge en tredje arm nogle gange, men for nogle ville det være særligt nyttigt.

Mekaniske ingeniører ved Rice Universitys George R. Brown School of Engineering har bygget et praktisk ekstra lem, der er i stand til at gribe genstande og gå, kun drevet af trykluft. Det er en af ​​flere ideer, de har implementeret med et tekstilbaseret energihøstsystem.

De principielle robotenheder designet og bygget af Daniel Preston, en assisterende professor i maskinteknik, hovedforfatterne Rachel Shveda og Anoop Rajappan og deres team er rettet mod dem, der lever med handicap og er hårde nok til daglig brug, sagde de.

Hvordan projektet er beskrevet i Science Advances bruger luft adskiller sig fra Preston-laboratoriets nu berømte manipulation af døde edderkopper som gribere. Disse pneumatiske enheder får deres kraft fra at gå.

Prototypen "arm" er et stykke stof, der omslutter kroppen, når den ikke er i brug, men strækker sig udad, når den aktiveres, og inkorporerer en elastomerforing på overfladen for at bevare sit greb om glatte genstande. Til demonstrationer ville Rice-alumnen Shveda, nu en officer i den amerikanske kystvagt, betjene armen med en kontakt. Preston sagde, at fremtidige versioner kunne have sensorer, der forudser bærerens hensigt og fuldender bevægelsen.

Ud over den krøllede arm, der kan gribe en kop eller andre små genstande, mens ens hænder er fulde, byggede Rice-laboratoriet en skjorte med en bælglignende aktuator fastgjort ved armhulen, der udvider sig, hvilket gør det muligt for bæreren at samle en 10-pund op. objekt. Test af tøjet på en mannequin viste, at det kunne gøre det uden hjælp fra menneskelige muskler.

"Census-statistikker siger, at der er omkring 25 millioner voksne i USA, som har svært ved at løfte 10 pund med deres arme," sagde Rajappan, en postdoc støttet af Rice Academy of Fellows. "Det er noget, vi sædvanligvis gør i vores daglige liv, når vi samler husholdningsgenstande op eller endda en baby."

Systemet kræver to komponenter:tekstilpumper indlejret i sålerne på gåsko, der høster lufttryk og pneumatiske aktuatorer, der gør brug af det tryk, hvor det er nødvendigt. Pumperne er fyldt med åbencellet polyurethanskum, der gør det muligt for dem at genvinde deres form efter hver gang de går.

Preston sagde, at pumpen er lille nok til at være komfortabel. "Stivheden af ​​skummet er omtrent på niveau med en typisk skoindsats," sagde han. "Vi ville sikre os, at det her føltes som noget, du faktisk gerne ville have inde i din sko."

Test fra Rice-laboratoriet viste, at enhederne producerer, hvad der svarer til 3 watt strøm med en konverteringseffektivitet på mere end 20 %, hvilket let overgår elektromagnetiske, piezoelektriske og triboelektriske strategier til fod-angrebsenergihøst, inklusive en designet af studerende ved Rice's Oshman Engineering Design køkken.

Preston sagde, at alle komponenterne til en enkelt enhed kostede laboratoriet omkring $20. Produkterne var enkle at samle og robuste nok til at blive rengjort i en vaskemaskine uden forringelse af ydeevnen.

"Fabrikationstilgangen bruger teknikker, der allerede er ansat i beklædningsindustrien, ting som at skære tekstilplader og lime dem med varme og tryk," sagde han. "Vi er klar til at overveje at omsætte vores arbejde til produkter."

Rajappan sagde, at laboratoriet sammen med testenheder også udviklede matematiske modeller til at forudsige, hvor godt et hjælpemiddel ville fungere baseret på en brugers vægt og ganghastighed, blandt andre parametre. "En måde at tage dette fremad vil være at bruge modellen til at optimere ydeevnen for specifikke brugergrupper," sagde han.

"Vi tænker også på enheder som pneumatiske aktuatorer, der anvender terapeutisk kompression til ting som dyb venetrombose, blodpropper i benene," sagde Rajappan. "Alt, der kræver lufttryk, kan drives af vores system."

"Nu hvor vi leverer strømmen, kan vi udnytte alt det eksisterende arbejde med aktivering," tilføjede Preston. "Dette vil omfatte ting som handsker, der hjælper folk med at lukke deres hænder, assistance ved både albue- og skulderled og andre enheder, der stadig er afhængige af typisk stive og omfangsrige strømforsyninger, der enten er ubehagelige eller kræver at være bundet til ekstern infrastruktur."

Han bemærkede, at samtaler med modekonsulenter kunne være i hans fremtid, for at holde bærerne fra at ligne Michelin-manden.

"Vi har formået at holde den ret lav profil, men ja, det er bestemt noget at tænke på, især med aktuatorerne," sagde Preston. + Udforsk yderligere

'Necrobotic' edderkopper:Manipulerer døde edderkoppers ben med et pust af luft for at tjene som gribere