Інженери створили м'який клапан для повністю м'яких пневматичних роботів

Інженери розробили конструкцію м'якого клапана для перемикання між джерелами газів, який можна використовувати для створення повністю м'яких роботів, стійких до деформації та зміни форми. На його основі вони створили м'яке пневматичне захоплення з механічним сенсором дотику, а також робочерва, який може періодично скорочуватися і повзти вперед, використовуючи для цього тільки одне джерело постійного тиску, повідомляється в журналі.

М'які роботи мають кілька важливих переваг перед жорсткими. Наприклад, їх можна безпечно застосовувати в медицині або інших сферах, де роботу потрібно безпосередньо взаємодіяти з людиною. Крім цього, такі роботи можуть змінювати свою форму залежно від умов і піддаватися сильним деформаціям, залишаючись при цьому працездатними. Нерідко такі роботи приводяться в рух за допомогою пневматичної системи, і інженерам не завжди вдається зробити конструкцію повністю м'якою і обійтися без використання жорстких елементів, особливо в клапанах для управління пневматикою.

Група інженерів під керівництвом Джорджа Вайтсайдса (George Whitesides) з Гарвардського університету створила для таких роботів нову конструкцію клапана, яку можна зробити повністю з м'яких еластомерів. Головний елемент клапана - полімерна мембрана, укладена в циліндр з меншим діаметром, за рахунок чого вона постійно вигнута. Особливість цієї мембрани полягає в тому, що вона може перебувати тільки в одному з двох стабільних вигнутих положень, між якими вона швидко перемикається при додатку зовнішнього тиску. У цього перемикання є гістереза: для переходу мембрани з одного положення в інше потрібно підвищити різницю тисків з двох сторін мембрани до значення ΔP₁, але при опусканні тиску вона повернеться назад не відразу, а при досягненні іншого критичного тиску ΔP₂.

Розробники використовували ці властивості і створили конструкцію клапана для перемикання між двома джерелами газу. У полімерному циліндрі знаходиться мембрана, що розділяє його на дві камери, через кожну з яких проходять дві трубки для пропускання газу. Крім цього в кожній камері є отвір для подачі газу під тиском, який перемикає мембрану між двома станами. Трубки для пропускання газу розташовані таким чином, що в кожному з двох положень мембрани вона тисне на ту чи іншу трубку і тим самим не дає газу проходити через неї.

На основі цієї конструкції інженери створили два прототипи. Один з них являє собою захоплення, яке спрацьовує при контакті з цікавим предметом. Він складається з чотирьох багатосекційних «рук»; секції розширюються при надуванні і змушують всю конструкцію згинатися. Ці «руки» приєднані до постійного джерела тиску через трубку, яка спочатку перекрита мембраною. У центрі захоплення знаходиться сенсор контакту, через який виходить повітря, що подається в нижню камеру клапана. При контакті з якимось предметом цей вихід перекривається і тиск в камері підвищується. Через це мембрана переходить в інший стан, перестає перекривати доступ повітря до захоплення і той надувається, хапаючи предмет.

Також інженери створили робочерва, який може повзти, періодично скорочуючись і розширюючись, використовуючи для цього тільки одне джерело постійного тиску. Це джерело з'єднане через клапан з повітряною камерою робота і надуває її, через що робот розширюється і рухає свою передню частину вперед. Через деякий час тиск у камері змушує мембрану перемикатися, через що трубка від джерела повітря перекривається, а трубка для виходу повітря з камери навпаки відкривається і робот здувається, підтягуючи свою задню частину.

У 2016 році суміжна група дослідників з Гарварду створила невеликого робота-восьминога, в конструкції якого не використовувалося жодного жорсткого матеріалу. У нього є м'які пневматичні актуатори, які приводяться в дію за рахунок розкладання запасу перекису водню на кисень і водяної пар.