Wetenschappers hebben onlangs de unieke eigenschappen van niet-lineaire golven onderzocht om een ​​breed scala aan toepassingen mogelijk te maken, waaronder impactbeperking, asymmetrische transmissie, schakelen en focussen. In een nieuwe studie die nu is gepubliceerd op wetenschappelijke vooruitgang , Bolei Deng en een team van onderzoekswetenschappers aan Harvard, CNRS en het Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering in de VS en Frankrijk maakten gebruik van de voortplanting van niet-lineaire golven om flexibele structuren te laten kruipen. Ze combineerden bio-geïnspireerde experimentele en theoretische methoden om te laten zien hoe een dergelijke pulsgestuurde voortbeweging een maximale efficiëntie kon bereiken wanneer de geïnitieerde pulsen solitonen waren (solitaire golf). De eenvoudige machine die in het werk werd ontwikkeld, kon over een breed scala aan oppervlakken bewegen en verder sturen. De studie breidde de verscheidenheid aan mogelijke toepassingen met niet-lineaire golven uit om een ​​nieuw platform voor flexibele machines te bieden.

Flexibele structuren die in staat zijn tot grote vervormingen, trekken interesse in bio-engineering vanwege hun intrigerende statische respons en hun vermogen om elastische golven met grote amplitude te ondersteunen. Door hun geometrie zorgvuldig te controleren, het elastische energielandschap van sterk vervormbare systemen kan worden ontworpen om een ​​verscheidenheid aan niet-lineaire golven voort te planten, waaronder vectorsolitonen, overgangsgolven en verdunningspulsen. Het dynamische gedrag van dergelijke structuren laat een zeer rijke fysica zien, terwijl het nieuwe mogelijkheden biedt om de voortplanting van mechanische signalen te manipuleren. Dergelijke mechanismen kunnen unidirectionele voortplanting mogelijk maken, golfgeleiding, mechanische logica en mitigatie, onder andere toepassingen.

In dit werk, Deng et al. werden geïnspireerd door de biologische retrograde peristaltische golfbeweging in regenwormen en het vermogen van lineaire elastische golven om beweging te genereren in ultrasone motoren. Het team toonde de voortplanting van niet-lineaire elastische golven in flexibele structuren om mogelijkheden voor voortbeweging te bieden. Als proof-of-concept, ze richtten zich op een Slinky - en gebruikten het om een ​​pulsgestuurde robot te maken die zichzelf voort kan stuwen. Ze bouwden de eenvoudige machine door de Slinky aan te sluiten op een pneumatische actuator. Het team gebruikte een elektromagneet en een plaat ingebed tussen de lussen om niet-lineaire pulsen te initiëren die zich van voren naar achteren langs het apparaat voortplanten. waardoor de pulsrichting de eenvoudige robot dicteert om vooruit te gaan. De resultaten gaven aan dat de efficiëntie van dergelijke pulsgestuurde voortbeweging optimaal is met solitonen - niet-lineaire pulsen met grote amplitude met een constante snelheid en stabiele vorm langs voortplanting. De studie breidde toepassingen van solitaire golven (solitonen) uit en liet zien hoe ze kunnen worden onderzocht als eenvoudige onderliggende motoren om flexibele machines te helpen bewegen.

Om de Slinky-robot te maken, Deng et al. gebruikte een metalen Slinky met een lengte van 50 mm en 90 lussen, om vervolgens te testen en te begrijpen hoe de intrinsieke flexibiliteit ervan kan worden onderzocht, en maak een eenvoudige machine die in staat is om te bewegen. Ze verbonden twee slinkies in serie (100 mm, 180 lussen) voor een eenvoudige activeringsstrategie op basis van een pneumatische actuator, een elektromagneet en drie acrylplaten. Ze konden de opstelling uitrekken en verkorten met behulp van de pneumatische actuator terwijl de elektromagneet aan bleef. Het team testte de reactie van de machine door deze op een glad oppervlak te plaatsen en deze te bewaken met een hogesnelheidscamera. Deng et al. schakelde vervolgens het magnetische veld uit in een poging de symmetrie te doorbreken en de machine te laten kruipen. Ze observeerden geen gereflecteerde golf in de Slinky vanwege de grote energiedissipatie bij botsing van de lussen, maar observeerden in plaats daarvan een duidelijke voorwaartse beweging van de robot. Het team onderzocht daarom de directionaliteit die wordt geïntroduceerd door de elastische golven om de robot te laten bewegen, zelfs in de aanwezigheid van identieke wrijvingscoëfficiënten.

Pogingen om de flexibele machine te laten kruipen via elastische pulsen lieten echter zien dat de experimentele omstandigheden suboptimaal waren. Bijvoorbeeld, ze merkten terugglijden onmiddellijk na het uitschakelen van de elektromagneet. Om deze beweging te beperken, Deng et al. verhoogde de massa aan het hoofd van de Slinky-robot terwijl de waarde werd geoptimaliseerd om een ​​optimaal bereik te identificeren. De Slinky handhaafde 10 lussen tussen de voor- en laadplaten in de opstelling. Het team wees de maximale afstand tussen de laad- en frontplaten aan als A _in , die ongeveer 100 mm bedroeg. Om te begrijpen hoe de efficiëntie van de robot een maximum was voor A _in =100 mm Deng et al. zorgvuldig onderzocht de voortplanting van pulsen met grote amplitude door de Slinky.

Voor deze experimenten is ze concentreerden zich op een enkele Slinky en bewaakten de positie van groene markeringen bij elke andere lus. Vervolgens begonnen ze elastische golven die zich naar achteren voortplantten door 10 lussen aan de voorkant voor te rekken en de elektromagneet uit te schakelen. Dankzij de tests kon het team diepere inzichten verwerven in de voortplanting van pulsen door de verplaatsing van elke lus te volgen. De wetenschappers realiseerden zich twee hoofdkenmerken van de robot; 1) de zich achterwaarts voortplantende golven bewogen het massamiddelpunt van de Slinky naar voren en 2) de Slinky ondersteunde de voortplanting van solitaire golven met grote amplitude.

Om meer inzicht te krijgen in de experimentele resultaten, Deng et al. ontwikkelde een wiskundig model dat de massa en elasticiteit van een individuele lus weergeeft. De berekende resultaten kwamen uitstekend overeen met de experimentele uitkomsten en het model bevestigde de experimentele waarnemingen. De analyse bevestigde verder dat de efficiëntie van de Slinky-robot maximaal was wanneer de geïnitieerde golven solitons waren. De niet-dispersieve aard en compactheid van solitaire pulsen maakte ze uiterst efficiënt om de energie die door de pneumatische actuator wordt geleverd in beweging te brengen om de meest efficiënte pulsgestuurde voortbeweging te verkrijgen.

Op deze manier, Deng et al. toonde aan hoe achterwaarts voortplantende solitonen een Slinky-robot efficiënt vooruit konden bewegen. Hoewel ledematenloze organismen eerder bio-geïnspireerde ingenieurs hebben om een ​​verscheidenheid aan robots te ontwerpen, het team gelooft dat dit werk het eerste robotsysteem is dat vertrouwt op elastische pulsen om te bewegen. De principes die in het onderzoek werden gepresenteerd, waren anders dan die van ultrasone motoren, omdat de flexibele Slinky-robot niet-lineaire pulsgolven gebruikte om de positie van het massamiddelpunt te veranderen, ultrasone motoren worden daarentegen aangedreven door lineaire sinusoïdale golven. Het team concentreerde zich in dit werk alleen op rechtlijnig voorwaarts kruipen, maar ze kunnen de flexibiliteit van de Slinky verkennen om een ​​reeks bewegingen te bereiken.

Het team wil vervolgens de robot besturen door de laatste lus aan de achterkant van het apparaat te draaien en de stuurhoek te regelen, terwijl de nadruk wordt gelegd op de bestaande mogelijkheid om de robot over een breed scala aan oppervlakken te verplaatsen. Hoewel Deng et al. alleen een Slinky gebruikt om pulsgestuurde voortbeweging te realiseren in dit werk, de principes zijn algemeen en kunnen worden uitgebreid tot een breed scala aan rekbare systemen over verschillende schalen om wegen te openen voor microschaalcrawlers die geschikt zijn voor medische toepassingen.

© 2020 Wetenschap X Netwerk