Новая технология позволит интегрировать в мягких роботах датчики и контроллеры

Мягкие надувные роботы стали перспективной парадигмой для приложений, требующих безопасности и адаптивности. Однако интеграция сенсорных и управляющих систем в этих роботах представляет собой серьезную проблему, не нарушающую их мягкость, форм-фактор и возможности.

Для решения этой проблемы исследовательская группа под руководством профессора Джиюна Кима (факультет инженерии новых материалов, UNIST) и профессора Джонбума Бэ (факультет машиностроения, UNIST) разработала революционную технологию «мягкого клапана» — универсальное решение, интегрирующее датчики и управляющие клапаны при сохранении полной мягкости.

Традиционно мягкие тела роботов сосуществуют с жесткими электронными компонентами для обеспечения восприятия. В исследовании, проведенном данной исследовательской группой, представлен новый подход к преодолению этого ограничения путем создания мягких аналогов датчиков и управляющих клапанов, работающих без электричества. Полученная деталь в форме трубки выполняет двойную функцию: распознает внешние раздражители и точно управляет движением автомобиля, используя только давление воздуха.

Благодаря отсутствию необходимости в компонентах, зависящих от электричества, эти полностью мягкие клапаны обеспечивают безопасную работу под водой или в условиях, где возможно образование искр, и одновременно снижают весовую нагрузку на робототехнические системы. Кроме того, каждый компонент стоит недорого — около 800 вон.

Предыдущие мягкие роботы имели гибкие корпуса, но в качестве датчиков обнаружения стимулов и блоков управления приводами использовали жесткие электронные детали, — пояснил профессор Ким.

Наше исследование направлено на изготовление датчиков и блоков управления приводами из мягких материалов.

Исследовательская группа продемонстрировала различные варианты применения этой революционной технологии. Они создали универсальные щипцы, способные деликатно брать хрупкие предметы, такие как картофельные чипсы, предотвращая их поломку из-за чрезмерного усилия, прилагаемого обычными жесткими руками робота. Кроме того, они успешно применили эти полностью мягкие компоненты для разработки носимых роботов-локтевых помощников, предназначенных для снижения нагрузки на мышцы при выполнении повторяющихся задач или напряженной деятельности, связанной с движениями рук. Опора для локтя автоматически регулируется в зависимости от угла, под которым согнута рука человека, что позволило снизить силу, действующую на локоть при ношении робота, в среднем на 63%.

Мягкий клапан работает за счет использования воздушного потока в структуре, имеющей форму трубки. Когда к одному концу трубки прикладывается напряжение, спирально намотанная нить внутри сжимает ее, управляя притоком и оттоком воздуха. Такое движение, напоминающее аккордеон, обеспечивает точность и гибкость движений без использования электрической энергии.

Кроме того, исследователи подтвердили, что, программируя различные структуры или количество нитей внутри трубки, они могут точно управлять изменениями воздушного потока. Такая возможность программирования позволяет настраивать устройство в соответствии с конкретными ситуациями и требованиями, обеспечивая гибкость реакции приводного устройства даже при постоянном приложении внешних сил к концу трубки.

Эти новые компоненты могут быть легко применены только с помощью программирования материалов, без использования электронных устройств, — с воодушевлением отметил профессор Бэ.

Этот прорыв внесет значительный вклад в развитие различных носимых систем.

Эта революционная технология мягких клапанов знаменует собой значительный шаг на пути к созданию полностью мягких роботов без электроники, способных к автономному управлению, что является важнейшей вехой в повышении безопасности и адаптивности во многих отраслях промышленности.

Результаты исследования опубликованы в Nature Communications.

15.09.2023