In recente jaren, een geheel nieuwe klasse robot-geïnspireerd door natuurlijke vormen en gebouwd met zachte, flexibele elastomeren - hebben het veld stormenderhand veroverd, met ontwerpen die objecten kunnen grijpen, wandelen, en zelfs springen.

Maar ondanks die innovaties, zogenaamde "zachte" robots droegen nog steeds enkele "harde" onderdelen.

Vooral, zei Philipp Rothemund, een doctoraalstudent die werkt in het laboratorium van Woodford L. en Ann A. Flowers University Professor George Whitesides, het opblazen en leeglopen van de robots werd tot nu toe meestal geregeld door kant-en-klare pneumatische kleppen.

Rothemund en postdoctoraal fellow Daniel Preston hebben een zachte klep gemaakt die dergelijke harde componenten zou kunnen vervangen, en zou kunnen leiden tot de creatie van volledig zachte robots. De structuur van de klep kan ook worden gebruikt om unieke, oscillerend gedrag en zou zelfs kunnen worden gebruikt om zachte logische circuits te bouwen. De klep wordt beschreven in een recent gepubliceerd artikel in Wetenschap Robotica .

Naast Rothemund en Preston, de studie is co-auteur van Alar Ainla, Lee Belding, en Sarah Kurihara van de afdeling Scheikunde en Chemische Biologie, Zhigang Suo van het Kavli Institute for Bionano Science &Technology, en Whitesides.

"Mensen hebben veel verschillende soorten zachte robots gebouwd ... en ze worden uiteindelijk allemaal bestuurd door harde kleppen, "Zei Rothemund. "Ons idee was om deze besturingsfuncties in de robot zelf in te bouwen, dus we zouden deze niet hard nodig hebben, externe onderdelen niet meer. Deze klep combineert twee eenvoudige ideeën:ten eerste, het membraan lijkt op 'popper' speelgoed, en de tweede is dat als je deze buizen knikt, het is alsof je een tuinslang knikt om de waterstroom te blokkeren."

De door Preston en Rothemund gedemonstreerde klep is ingebouwd in een cilinder die wordt gescheiden door een siliconenmembraan, het creëren van een boven- en onderkamer.

Door de onderste kamer onder druk te zetten, wordt het membraan gedwongen omhoog te komen, en het loslaten van de druk zorgt ervoor dat het terug naar zijn "rustende" staat springt. Elke kamer bevat ook een buis die kan worden geknikt wanneer het membraan van richting verandert, het effectief in- of uitschakelen van de klep.

"In welke richting het ook is, het knikt een buis boven of onder, "Zei Preston. "Dus als het is neergeklapt, de onderste buis is geknikt, en er is geen luchtstroom door de onderste buis. Als het membraan omhoog komt, de bovenbuis is geknikt, de onderste buis zal knikken, en lucht kan door de onderste buis stromen. We kunnen heen en weer schakelen tussen deze twee toestanden … om de uitgang te schakelen."

In sommige opzichten, Preston en Rothemund zeiden:de klep vertegenwoordigt een nieuwe benadering van zachte robotica.

Hoewel het meeste werk in het veld tot nu toe gericht was op het bouwen van robots die kunnen vastgrijpen of fungeren als zachte chirurgische oprolmechanismen, zien Rothemund en Preston de klep als een belangrijk onderdeel dat in een willekeurig aantal apparaten kan worden gebruikt.

"Het idee is dat dit werkt met elke zachte actuator, "Zei Rothemund. "Dit geeft geen antwoord op de vraag hoe je een grijper maakt, maar het doet een stap terug en zegt dat veel zachte robots werken volgens hetzelfde principe van inflatie en deflatie, dus al die robots zouden deze klep kunnen gebruiken."

Preston en Rothemund waren in staat om de klep aan te passen om enkele acties uit te voeren, zoals het grijpen van een voorwerp, autonoom.

In een demonstratie Rothemund legde uit, de klep is ingebouwd in een meervingerige grijper, maar er werd een kleine ontluchting toegevoegd om de luchtdruk uit de onderste kamer van de klep te laten ontsnappen. Toen de grijper op een tennisbal werd neergelaten, echter, de ventilatieopening was gesloten, waardoor de onderste kamer onder druk komt te staan, het activeren van de klep, en de grijper in actie te brengen.

"Dus dit integreert de functie in de robot, " zei hij. "Mensen hebben eerder grijpers gemaakt, maar er stond altijd wel iemand om te zien of de grijper dichtbij genoeg was om te activeren. Dit doet dat automatisch."

Het team was ook in staat om een ​​"feedback"-systeem te bouwen dat, wanneer gevoed door een enkele, constante druk, zorgde ervoor dat de klep snel oscilleerde tussen toestanden.

Eigenlijk, Preston zei, het systeem voerde luchtdruk door de bovenste kamer en in de bodem. Toen de klep in de verhoogde positie sprong, het sneed de druk af, waardoor de onderste kamer kan ontluchten, het ontlasten van de druk en het doen terugkeren van het membraan naar de neerwaartse positie, de cyclus opnieuw beginnen.

"We hebben geprofiteerd van het feit dat de druk die ervoor zorgt dat het membraan omhoog klapt, anders is dan de druk die nodig is om het weer naar beneden te laten klappen, "legde hij uit. "Dus als we de output terugvoeren naar de klep zelf, we krijgen dit oscillerende gedrag."

Door dat gedrag te gebruiken, het team was in staat om een ​​eenvoudige "inchworm" -robot te bouwen die in staat is zich voort te bewegen op basis van een enkele klep die een enkele ingangsdruk ontvangt.

"Dus met één constante druk, we waren in staat om deze lopende beweging te krijgen, "Zei Preston. "We hebben helemaal geen controle over dit lopen - we voeren gewoon een enkele druk in en het loopt vanzelf."

Vooruit gaan, Rothemund zei, er moet meer werk worden verzet om de klep verder te verfijnen, zodat deze kan worden geoptimaliseerd voor verschillende toepassingen en verschillende geometrieën.

"Dit was slechts een demonstratie met het membraan, " zei hij. "Er zijn veel verschillende geometrieën die dit soort bistabiel gedrag vertonen ... dus nu kunnen we er echt over nadenken om dit zo te ontwerpen dat het in een robot past, afhankelijk van de toepassing die u in gedachten heeft."

Preston hoopt ook te onderzoeken of de klep - omdat deze zich altijd in een van de twee toestanden bevindt - kan worden gebruikt als een soort transistor om logische circuits te vormen.

"Het is in zekere zin een soort transistor, " zei hij. "Je kunt een invoerdruk binnen laten komen en veranderen wat de uitvoer zal zijn ... in die zin zouden we hier bijna over kunnen denken als een bouwsteen voor een volledig zachte computer."

Dit verhaal is gepubliceerd met dank aan de Harvard Gazette, De officiële krant van Harvard University. Voor aanvullend universiteitsnieuws, bezoek Harvard.edu.