Origami-robots kunnen worden gevormd door meerdere bedieningsfuncties nauw te integreren, voelen en communiceren. Maar de taak is uitdagend omdat conventionele materialen, waaronder plastic en papier die voor dergelijke robotontwerpen worden gebruikt, beperkingen opleggen om add-on-functionaliteiten te beperken. Om multifunctionaliteiten in het systeem te installeren, moeten wetenschappers doorgaans externe elektronica bevatten die het gewicht van de robot verhoogt. In een recente studie die nu is gepubliceerd op Wetenschap Robotica , Haitao Yang en collega's van de interdisciplinaire afdelingen Chemische en Biomoleculaire Engineering, Biomedical Engineering en Electrical and Computer Engineering in de VS en Singapore hebben een door grafeenoxide (GO) mogelijk gemaakt sjabloonsyntheseproces ontwikkeld om herconfigureerbare, compatibele en multifunctionele metalen backbones. De backbones vormden de basis voor origami-robots in combinatie met ingebouwde spanningsdetectie en draadloze communicatiemogelijkheden. Met behulp van de GO-methode, de onderzoekers vormden complexe origami's van edelmetaal als structurele replica's van papieren sjablonen.

Het onderzoeksteam zou platina-origami-structuren kunnen reproduceren die stabiel zijn gemaakt met dunne elastomeren om multifunctionele backbones te vormen om de nieuwe origami-robots te creëren. De nieuwe robots waren meer vervormbaar, brandvertragend en energiezuiniger dan die gebouwd met andere materialen. Yang et al. waargenomen toegevoegde mogelijkheden voor de nieuwe platina-robots (Pt-robots), waaronder on-demand resistieve verwarming, spanningsdetectie en ingebouwde antennes zonder externe elektronica. Voor extra mogelijkheden, ze omvatten het monitoren of opnemen van robotbewegingen in realtime, draadloze communicatie tussen robots, warmteregeling en magnetische controle. Het nieuwe werk verrijkte de materiaalbibliotheek van robotica om veelzijdige zachte robots te ontwikkelen.

Onderzoekers in robotica hadden eerder de oude Japanse kunst van origami verkend om kunstmatige spieren te ontwikkelen, zelfvouwende machines, lente-origami-systemen en robot-metamorfose. conventioneel, ze gebruikten cellulosepapier, polyester, polyetheretherketon en polytetrafluorethyleen om skeletten voor dergelijke uitvindingen te vervaardigen. Ondanks de aangeboden mechanische ondersteuning, papieren of plastic backbones misten functionaliteiten van responsiviteit van stimuli, detectie en draadloze communicatie. In plaats van externe apparatuur te installeren om dergelijke functionaliteiten te leveren, onderzoeksteams streven nu naar de ontwikkeling van multifunctionele zachte robotruggengraat voor nauwe integratie. Onderzoeksinspanningen hebben nog niet zulke prototypische zachte robots aangetoond met geleidende origami-ruggengraat met detectie- en communicatiepotentieel. Als resultaat, wetenschappers willen graag een nieuw fabricageschema ontwikkelen om mechanisch stabiele, zachte en geleidende robotruggengraat.

Tijdens het fabricageproces, Yang et al. gebruikte grafeenoxide (GO) multilayers om verschillende metaalionprecursors te intercaleren, gevolgd door gloeien en calcineren bij hoge temperatuur om de hoogdimensionale GO-structuren te produceren. De metaaloxidereplica's bevatten microtexturen, vrijstaande strengen en complexe origami-structuren met uitstekende chemische controle en structurele replicatie. De voorgestelde GO-afgeleide methode zal een nieuw platform bieden om complexe metalen architecturen te produceren als multifunctionele backbones voor zachte robots.

Yang et al. zette de cellulosepapierfilms of origami-vormen om in een verscheidenheid aan metalen replica's met behulp van het GO-enabled sjabloonproces. Ze volgden vier hoofdstappen tijdens het fabricageproces, te beginnen met een sjabloon in de vorm van een feniks om edelmetaalzout te vormen (Mn ⁺ )-geïntercaleerde GO-cellulosecomplexen (M-GO-cellulose). De resulterende metalen replica's ondergingen tijdens de fabricage verdere gloei- en calcineringsprocessen en het onderzoeksteam controleerde ze door hun calcineringstemperatuur af te stemmen. De wetenschappers creëerden complexe metalen origami-structuren zoals zeshoekige honingraten, kikkers, bloemen, dinosaurussen, vliegtuigen en balgen door verschillende 3D-origamistructuren van cellulosepapier om te zetten in platinametaal.

Om de mechanische stabiliteit te verbeteren, ze omvatten dunne elastomeren aan de metalen origami-structuren voor grote vervormbaarheid en omkeerbare herconfiguratie. Yang et al. koos voor platinametaal vanwege het efficiënte structurele behoud, hoge mechanische flexibiliteit en hoge elektrische geleidbaarheid in vergelijking met goud (Au) of zilver (Ag). Het team optimaliseerde de Pt-elastomeer ruggengraat voor hoge elektrische geleidbaarheid en mechanische flexibiliteit, voor de resulterende vlakke Pt-elastomeercomposiet om grote en herhaalde vervormingen te ondersteunen - ideaal voor zachte robotruggengraat. De herconfigureerbare metalen backbones introduceerden meerdere en verschillende functionaliteiten om metamateriaal origami-robots te vormen, inclusief intrinsiek potentieel voor brandwerendheid. Het onderzoeksteam heeft deze functie getest door Pt-robots direct contact te laten houden met een vlam voor langdurige blootstelling (800 ⁰ C gedurende 30 seconden), ter vergelijking:een papieren robot ontstak in seconden (minder dan 5 seconden).

De Pt-elastomeer-ruggengraat was dunner en lichter dan de cellulosepapierrobots, maar bleef mechanisch stabiel tijdens omkeerbare robotbediening. De op papier gebaseerde robot vereiste grote drukveranderingen om te verlengen of samen te trekken; terwijl de Pt-robot alleen lagere drukveranderingen vereiste. Yang et al. ontwikkelde vervolgens de geleidende Pt-origami-robot om elektromagnetische (EM) golven te verzenden en te ontvangen en te dienen als een herconfigureerbare antenne voor draadloze communicatie. Voorafgaand aan de fabricage, het onderzoeksteam simuleerde 3D-stralingspatronen om het gebruik van Pt-robots als stralingsantennes te onderzoeken en maakte ze daarna. De wetenschappers toonden ook draadloze communicatie tussen twee Pt-robots die dienst deden als zender en ontvanger. Wanneer een zenderrobot pulssignalen op verschillende frequenties uitzond, de ontvangerrobot die op 1,2 m afstand was gestationeerd, ontving ze zonder frequentieafwijking tussen de verzonden en ontvangen signalen.

Het team vergeleek vijf categorieën robotfuncties in het werk om technische voordelen aan te tonen van het gebruik van de GO-enabled Pt metalen backbones ten opzichte van (1) backbone-dichtheid, (2) mechanische stijfheid, (3) energie-efficiëntie, (4) spanningsdetectiemogelijkheden en (5) draadloze communicatiemogelijkheden. Het onderzoeksteam optimaliseerde de twee Pt-robots verder voor draadloze communicatie, waar een zenderrobot draadloos navigatie-instructies afleverde aan een ontvangerrobot om met succes een geconstrueerd obstakel te omzeilen door een begeleid pad te volgen.

Het team breidde vervolgens de toepassingen van het systeem uit met behulp van additieve 3D-productie, waar ze Pt-Go-cellulose-inkt combineerden met fused deposition modeling (FDM) tot 3D-geprinte metalen robotachtige ruggengraatgevormde vormen. Vervolgens, ze ontwierpen Pt-robots voor afstandsbediening met magnetische velden. Voor deze, Yang et al. synthetiseerde een Pt-replica met Pt-Go-cellulose-inkt en infiltreerde de polymeeroplossing met magnetische deeltjes om een ​​magnetische Pt-ruggengraat te creëren. De nieuwe structuren bevatten de gebruikelijke ingebouwde spanningsdetectie en draadloze communicatiemogelijkheden, met toegevoegde magnetische beweging. De magnetische Pt-robots zouden een omkeerbare vorm en lichaamstransformatie kunnen ondergaan onder magnetische activering om vooruit te gaan in lijn met roterende magnetische velden.

Op deze manier, Haitao Yang en collega's hebben een Go-enabled template-syntheseprotocol ontwikkeld om herconfigureerbare, compatibele en multifunctionele metalen backbones om metalen origami-robots te bouwen. De robots bevatten ingebouwde spanningsdetectie en draadloze communicatiemogelijkheden. De synthetische metalen ruggengraat gemaakt met complexe edele metalen, waaronder zilver, goud en platina waren sterk structurele replica's van hun papieren tegenhangers. In vergelijking met traditioneel papier en plastic, de herconfigureerbare Pt-elastomeer ruggengraat bood een laag gewicht, vervormbaarheid en energie-efficiëntie. Yang et al. denk aan praktische toepassingen voor metalen origami-robots, variërend van activiteiten in risicovolle omgevingen, voor gebruik in kunstmatige spieren en robotarmen, en als op afstand bestuurbare ongebonden robots. Ze zijn gericht op het optimaliseren van metalen backbones met elektrochemisch actieve materialen om vervolgens energieopslagapparaten te vormen. Dergelijke ontwikkelingen zullen de bibliotheek met robotmaterialen verrijken om diverse zachte robots met hoogfunctionele integratie te fabriceren.

© 2019 Wetenschap X Netwerk