Weiche, dynamische Aktuatoren mit hoher Stabilität ermöglichen vielseitige Bewegungen

Die meisten Roboter können das nicht. Aber Forscher der Carnegie Mellon University haben weiche Roboter entwickelt, die zum Beispiel vom Gehen zum Schwimmen oder vom Krabbeln zum Rollen wechseln können.

sagte Dinesh K. Patel, ein Postdoktorand am Morphing Matter Lab. Vom College of Humanities im College of Computer Science: „Die Natur hat uns dazu inspiriert, einen Roboter zu entwickeln, der verschiedene Aufgaben ausführen und sich an seine Umgebung anpassen kann, ohne Aktuatoren oder Komplexität hinzuzufügen.“ Institut für Computerinteraktion. „Unser bistabiler Aktuator ist einfach, stabil und robust und legt den Grundstein für zukünftige Arbeiten in der dynamischen und rekonfigurierbaren Softrobotik.“

Der bistabile Aktuator besteht aus weichem, 3D-gedrucktem Gummi, der Federn aus Formgedächtnislegierung enthält, die auf elektrische Ströme reagieren, indem sie sich zusammenziehen, wodurch sich der Aktuator biegt. Das Team nutzte diese bistatische Bewegung, um die Form des Aktuators oder Roboters zu ändern. Sobald sich der Roboter verformt hat, ist er stabil, bis eine andere elektrische Ladung ihn in seine vorherige Konfiguration zurückversetzt.

„Die Art und Weise anzupassen, wie Tiere vom Laufen zum Schwimmen zum Krabbeln und Springen übergehen, ist eine große Herausforderung für weiche Roboter, die vom Leben inspiriert sind“, sagte Karmel Majidi, Professor an der Fakultät für Maschinenbau am Carmel University College of Engineering.

Ein Roboter, den das Team entwickelt hat, hat beispielsweise vier gekrümmte Aktuatoren, die an den Ecken eines handygroßen Körpers angebracht sind, der aus zwei bistabilen Aktuatoren besteht. Auf der Erde wirken die gekrümmten Aktuatoren wie Beine und ermöglichen dem Roboter das Gehen. Im Wasser verändern bistabile Aktuatoren die Form des Roboters und gebogene Aktuatoren bringen ihn in eine ideale Position, um wie Propeller zu wirken und schwimmen zu können.

“Sie müssen Beine haben, um an Land zu gehen, und Sie brauchen Propeller, um im Wasser zu schwimmen. Einen Roboter mit separaten Systemen zu bauen, die auf jede Umgebung zugeschnitten sind, erhöht die Komplexität und das Gewicht”, sagte Xiaonan Huang, Assistenzprofessor für Robotik an der University of Michigan und ehemaliger Doktorand zu Magidis Student. “Wir verwenden dasselbe System für beide Umgebungen, um einen effizienten Bot zu erstellen.”

Das Team schuf zwei weitere Roboter: einen, der kriechen und springen kann, und einen, der von Raupen und Asseln inspiriert ist und kriechen und rollen kann.

Die Aktuatoren benötigen nur hundert Millisekunden elektrischer Ladung, um ihre Form zu ändern, und sie sind langlebig. Das Team ließ jemanden einen der Aktuatoren mehrmals mit dem Fahrrad fahren und änderte die Form der Roboter hunderte Male, um ihre Haltbarkeit zu beweisen.

In Zukunft könnten Roboter in Rettungssituationen oder zur Interaktion mit Meeres- oder Korallenrifftieren eingesetzt werden. Die Verwendung von wärmeaktivierten Federn in Aktuatoren könnte Anwendungen in der Umgebungsüberwachung, haptischen Geräten, rekonfigurierbaren Elektronik und Kommunikation eröffnen.

„Es gibt viele spannende und interessante Szenarien, in denen energieeffiziente und vielseitige Roboter wie dieser nützlich sein könnten“, sagte Lining Yao, Cooper-Siegel-Assistenzprofessor am HCII und Leiter des Morphing Matter Lab.

Das Papier des Teams, „High Stability Dynamic Soft Drive for Intermodal and Reconfigurable Soft Robotics“, war das Titelblatt der Januarausgabe 2023 von fortschrittliche Materialtechnologien. Das Forschungsteam umfasste die leitenden Co-Autoren Patel und Huang. Gieren. Majed. Yichi Luo, Masterstudent in Maschinenbau an der CMU; und Mrunmayi Mungekar und Mr. Khalid Jawed, beide vom Department of Mechanical and Aerospace Engineering an der University of California, Los Angeles.