Ingenieurs van Caltech en ETH Zürich hebben robots ontwikkeld die in staat zijn zichzelf voort te bewegen zonder motoren te gebruiken. servo's, of stroomvoorziening. In plaats daarvan, deze eerste-van-hun-soort apparaten peddelen door water als het materiaal waaruit ze zijn opgebouwd vervormt met temperatuurveranderingen.

Het werk vervaagt de grens tussen materialen en robots. In de zelfrijdende apparaten, het materiaal zelf laat de machine functioneren. "Onze voorbeelden laten zien dat we gestructureerde materialen kunnen gebruiken die vervormen als reactie op omgevingsfactoren, om robots te besturen en voort te stuwen, " zegt Daraio, hoogleraar werktuigbouwkunde en toegepaste natuurkunde in de afdeling Engineering and Applied Science van Caltech, en corresponderende auteur van een paper waarin de robots worden onthuld die in de Proceedings van de National Academy of Sciences op 15 mei.

Het nieuwe aandrijfsysteem is gebaseerd op stroken van een flexibel polymeer dat opkrult als het koud is en uitrekt als het warm is. Het polymeer is gepositioneerd om een ​​schakelaar in het lichaam van de robot te activeren, die op zijn beurt is bevestigd aan een peddel die hem als een roeiboot naar voren roeit.

De schakelaar is gemaakt van een bistabiel element, dat is een component die stabiel kan zijn in twee verschillende geometrieën. In dit geval, het is opgebouwd uit stroken van een elastisch materiaal dat, wanneer opgeduwd door het polymeer, springt van de ene positie naar de andere.

Wanneer de koude robot in warm water wordt geplaatst, het polymeer strekt zich uit, activeert de schakelaar, en de resulterende plotselinge afgifte van energie peddelt de robot naar voren. De polymeerstrips kunnen ook worden "afgestemd" om op verschillende tijdstippen specifieke reacties te geven:dat wil zeggen, een dikkere strook duurt langer om op te warmen, uitrekken, en activeert uiteindelijk zijn peddel dan een dunnere strip. Dankzij deze afstemming kan het team robots ontwerpen die met verschillende snelheden kunnen draaien en bewegen.

Het onderzoek bouwt voort op eerder werk van Daraio en Dennis Kochmann, hoogleraar lucht- en ruimtevaart bij Caltech. Ze gebruikten ketens van bistabiele elementen om signalen te verzenden en computerachtige logische poorten te bouwen.

In de laatste iteratie van het ontwerp, Daraio's team en medewerkers waren in staat om de polymeerelementen en schakelaars zo met elkaar te verbinden dat een robot met vier peddels zichzelf voortstuwt, een kleine lading afgeven (in dit geval een penning met een Caltech-zegel erop), en dan achteruit peddelen.

"Door eenvoudige bewegingen met elkaar te combineren, we waren in staat om programmering in het materiaal in te bedden om een ​​reeks complexe gedragingen uit te voeren, " zegt Caltech-postdoctoraal wetenschapper Osama R. Bilal, co-eerste auteur van de PNAS paper. In de toekomst, meer functionaliteiten en verantwoordelijkheden kunnen worden toegevoegd, bijvoorbeeld met behulp van polymeren die reageren op andere omgevingsfactoren, zoals pH of zoutgehalte. Toekomstige versies van de robots kunnen chemische lekkages bevatten of, op kleinere schaal, medicijnen afleveren, zeggen de onderzoekers.

Momenteel, wanneer de bistabiele elementen knappen en hun energie vrijgeven, ze moeten handmatig worden gereset om weer te kunnen werken. Volgende, het team is van plan om manieren te onderzoeken om de bistabiele elementen opnieuw te ontwerpen, zodat ze zichzelf resetten wanneer de watertemperatuur weer verschuift, waardoor ze potentieel in staat zijn om voor onbepaalde tijd verder te zwemmen, zolang de watertemperatuur blijft fluctueren.

Het PNAS-document is getiteld "Het benutten van bistabiliteit voor directionele voortstuwing van zachte, ongebonden robots."