Een team van Californische onderzoekers heeft een robotgrijper ontwikkeld die de hechtende eigenschappen van gekkotenen en het aanpassingsvermogen van door lucht aangedreven zachte robots combineert om een ​​veel grotere verscheidenheid aan objecten vast te pakken dan de stand van de techniek.

Onderzoekers zullen hun bevindingen presenteren op de 2018 International Conference on Robotics and Automation van 21 tot 25 mei in Brisbane, Australië. De grijper kan tot 45 lbs tillen. en kan worden gebruikt om objecten in een breed scala van instellingen te grijpen, van fabrieksvloeren tot het internationale ruimtestation.

Gekko's staan ​​bekend als de beste klimmers van de natuur vanwege een geavanceerd grijpmechanisme op hun tenen. In eerder werk, onderzoekers van Stanford University en het Jet Propulsion Laboratory hebben dat mechanisme nagebouwd met een synthetisch materiaal dat een gekko-geïnspireerde lijm wordt genoemd. Dit materiaal werd voornamelijk gebruikt op vlakke oppervlakken zoals muren. In het huidige werk onderzoekers bundelden hun krachten met ingenieurs van de University of California San Diego. Het team bedekte de vingers van een zachte robotgrijper met de gekko-lijm, waardoor het een steviger greep krijgt op een breed scala aan objecten, inclusief pijpen en mokken, terwijl je nog steeds in staat bent om ruwe objecten zoals rotsen te hanteren. De grijper kan ook objecten in verschillende posities grijpen, bijvoorbeeld een mok onder veel verschillende hoeken vastpakken.

Onderzoekers toonden aan dat de grijper ruwe, poreuze en vuile voorwerpen, zoals vulkanisch gesteente - een taak die typisch een uitdaging is voor gekko-lijmen. Het was ook in staat om stukken grote, cilindrische pijp - een taak die typisch moeilijk is voor zachte robotgrijpers.

"We realiseerden ons dat deze twee componenten, zachte robotica en gekko-lijmen, vullen elkaar goed aan, " zei Paul Glick, de eerste auteur van het papier en een Ph.D. student in het Bioinspired Robotics and Design Lab aan de Jacobs School of Engineering aan de UC San Diego.

De gekko is een van de beste klimmers van de natuur, dankzij miljoenen microscopisch kleine haartjes, met kenmerken die ongeveer 20 tot 30 keer kleiner zijn dan een mensenhaar, waardoor hij op vrijwel elk oppervlak kan klimmen. De haren eindigen in minuscule nanostructuren die op atomair niveau interageren met moleculen op het oppervlak dat de gekko probeert te grijpen. Deze interactie, aangedreven door wat van der Waals-krachten wordt genoemd, zorgt ervoor dat de tenen van de gekko gemakkelijk kunnen worden vastgemaakt en losgemaakt als dat nodig is. Onderzoekers van JPL gebruiken synthetische materialen en vergelijkbare reeksen microscopische kenmerken om de kracht van Van der Waals-krachten te benutten en toonden aan dat deze kleefstoffen veel van dezelfde eigenschappen behielden als de tenen van dieren die hen inspireerden.

Omdat gekko-lijmen worden aangedreven door moleculaire interacties tussen oppervlakken, ze werken het beste als ze een groot contactoppervlak hebben. Door de binnenkant van de zachte robotvingers te coaten met deze kleefstoffen, wordt de hoeveelheid oppervlakte waarmee ze in contact komen, gemaximaliseerd. zorgen voor een betere grip.

Het technische team lost in dit document twee verschillende problemen op.

Eerst, onderzoekers van UC San Diego zorgden ervoor dat de vingers van de grijper constant contact zouden houden met het oppervlak van elk object. Een veelvoorkomend probleem met door lucht aangedreven zachte vingers is dat ze de neiging hebben om in het midden uit te puilen wanneer ze worden opgeblazen, dit oppervlaktecontact te verminderen.

Glick vond een studie uit de jaren 70 die de vergelijkingen opleverde die nodig waren om het probleem in het ontwerpproces op te lossen. Hierdoor konden onderzoekers de grijper over de hele lengte van de vingers de juiste krachten laten uitoefenen.

Ten tweede, de onderzoekers concentreerden zich op het verdelen van krachten op oppervlakken die niet vlak zijn om de prestaties van gekko-geïnspireerde lijmen te optimaliseren. De onderzoekers vonden een manier om kracht te verdelen over een zachte, flexibele grijper, met behoud van de fabricageprecisie die vereist is voor de lijmen.

Het team deed dit door gebruik te maken van een zeer sterke stof ingebed in de vinger die gemakkelijk kan buigen maar niet kan worden uitgerekt om grotere lasten te dragen. De vingers zijn stevig vastgeklemd op een basis, die ervoor zorgt dat de gemakkelijk rekbare siliconen niet verder vervormen dan nodig is. Deze combinatie van zachte en stijve materialen zorgt ervoor dat de grijper zich aan veel objecten kan aanpassen en grote krachten kan weerstaan.

De gekko-lijmen zelf worden gemaakt in een proces van drie stappen. Een originele meestergekko-zelfklevende mal met miljoenen microscopische structuren wordt gemaakt in een cleanroom met behulp van een fotolithografieproces. Vervolgens, waskopieën van de mastermal kunnen tegen lage kosten worden gemaakt. De onderzoekers kunnen vervolgens zoveel kopieën van de plakvellen uit de wasvorm maken als ze willen door middel van een proces dat spincoating wordt genoemd. Hierdoor kunnen ze in minder dan een uur 10 tot 20 zelfklevende vellen maken. In de tussentijd, de zachte robotgrijper zelf is gegoten in 3D-printvormen en is gemaakt van rubber op siliconenbasis.

De volgende stappen in het onderzoek zijn onder meer het ontwikkelen van algoritmen voor het grijpen die profiteren van de kleefstoffen, en het onderzoeken van het gebruik van deze grijper voor zwaartekracht- en ruimteoperaties.