«Наша предыдущая работа была сосредоточена на создании мягких роботов, которые были вдохновлены гепардами – и хотя роботы были очень быстрыми, у них все еще был жесткий внутренний позвоночник», – говорит Цзе Инь, доцент кафедры механической и аэрокосмической инженерии в NC State и соответствующих организациях. автор статьи о новой работе. «Мы хотели создать полностью мягкого робота без внутреннего позвоночника, в котором по-прежнему использовалась бы концепция переключения между двумя стабильными состояниями, чтобы мягкий робот двигался более мощно и быстрее. И одним из животных, которыми мы были вдохновлены, была медуза."
Исследователи создали своих новых мягких роботов из двух связанных слоев одного и того же эластичного полимера. Один слой полимера был предварительно напряжен или растянут. Второй слой не подвергался предварительному напряжению и содержал воздушный канал.
«Мы можем заставить робота« изгибаться », закачивая воздух в слой канала, и мы контролируем направление этого изгиба, контролируя относительную толщину предварительно напряженного слоя», – говорит Инь.
вот как это работает. В сочетании с третьим свободным от напряжений слоем, называемым промежуточным слоем, предварительно напряженный слой хочет двигаться в определенном направлении.
Например, у вас может быть кусок полимерной ленты, который был предварительно напряжен путем вытягивания ее в двух направлениях. После прикрепления предварительно напряженного материала к промежуточному слою конечным результатом будет двухслойная полоса, которая хочет загибаться вниз, как нахмуренное лицо. Если эта двухслойная полоса, также называемая предварительно напряженным слоем, тоньше, чем слой с воздушным каналом, эта хмурая кривая будет изгибаться в улыбающуюся кривую, когда воздух закачивается в слой канала. Однако, если предварительно напряженный слой толще, чем слой канала, нахмуренность будет становиться все более и более выраженной по мере того, как воздух закачивается в слой канала.
В любом случае, как только воздуху позволят покинуть слой канала, материал вернется в исходное состояние "покоя".
Фактически, этот простой пример описывает одного из мягких роботов, созданных исследовательской группой, быстродвижущегося мягкого краулера. Он похож на личинку насекомого, скручивающую тело, а затем прыгающую вперед, быстро высвобождая накопленную энергию.
Медуза-бот немного сложнее: предварительно напряженный дискообразный слой растягивается в четырех направлениях (представьте, что его тянут на восток и запад одновременно, а затем на север и юг одновременно). Канальный слой также отличается, он состоит из кольцевого воздушного канала. Конечный результат – купол, похожий на медузу.
Когда медуза-бот "расслабляется", купол изгибается вверх, как неглубокая чаша. Когда воздух закачивается в слой каналов, купол быстро изгибается вниз, выталкивая воду и продвигаясь вперед. При экспериментальном тестировании медуза-бот имел среднюю скорость 53.3 миллиметра в секунду. Это неплохо, учитывая, что ни один из трех видов медуз, исследованных исследователями, не двигался быстрее, чем в среднем 30 миллиметров в секунду.
Наконец, исследователи создали трехзубого робота-захватчика – с изюминкой. Большинство захватов в "расслабленном состоянии" висят открытыми, и им требуется энергия, чтобы удерживать свой груз, когда он поднимается и перемещается из точки A в точку B. Но Инь и его сотрудники использовали предварительно напряженные слои для создания захватов, положение которых по умолчанию закрыто.
Для открытия захватов требуется энергия, но как только они заняли свое положение, захваты возвращаются в свой режим «покоя» – плотно удерживая свой груз.
«Преимущество здесь в том, что вам не нужна энергия, чтобы удерживать объект во время транспортировки – это более эффективно», – говорит Инь.