Інженери створили швидкісну робомедузу

Американські інженери розробили м'які пневматичні актуатори для повністю м'яких роботів і на їх основі створили робомедузу, здатну пересуватися швидше справжніх медуз. У конструкції використовуються попередньо деформовані елементи, завдяки напруженню в яких актуатори здатні швидко змінювати свою форму під дією стисненого повітря і перемикатися між стабільними станами. Стаття опублікована в журналі.

М'які роботи, створені з повністю м'яких матеріалів, давно привертають увагу інженерів і вчених. Такі пристрої можуть бути корисні там, де потрібна безпечна взаємодія з оточенням або людиною - наприклад, в медицині. Рухливість повністю м'яких роботів зазвичай ґрунтується на розтягненні, стисненні, вигині та скручуванні, актуатори для них роблять з м'яких еластичних матеріалів, а приводяться в дію вони за допомогою пневматики або гідравліки.

Провідний автор дослідження Іньдін Чі (Yinding Chi) і його колеги з Університету Північної Кароліни та Університету Темпл розробили вдосконалений пневматичний актуатор для м'яких роботів. Їх нова робота стала продовженням попереднього проекту, в якому інженери створили робота на основі м'якого актуатора з бістабільним хребтом з пружиною, завдяки чому він міг пересуватися галопом.

У рамках нового дослідження інженери побудували актуатори двох форм: у вигляді короткої стрічки і диска. Кожен з цих пристроїв складається з шарів еластомірного матеріалу (силікон Ecoflex). Нижній шар зазнав попереднього розтягнення: стрічки розтягувалися вздовж довгого виміру, а диски - радіально. В результаті стрічки стали дугоподібними, тоді як диски прийняли форму купола. На наступному етапі розтягнутий шар скріпили з недеформованим шаром цього ж матеріалу, всередині якого проходять повітряні канали. Через механічні напруги в нижньому розтягнутому шарі вся конструкція деформувалася, зберігаючи цей стабільний стан.

Під впливом стисненого повітря, що подається через повітряні канали, актуатор змінює форму, причому кінцевий результат залежить від співвідношення товщини шарів: у випадку, коли товщина попередньо деформованого шару перевищує товщину недеформованого, відбувається збільшення існуючого вигину, а зворотне співвідношення призводить до відхилення актуатора в протилежному напрямку. Також на напрямок і величину підсумкового відхилення впливає величина попередньої деформації першого шару і значення тиску нагнітаного повітря.

Залежно від перерахованих вище умов розробники виділили два режими роботи актуатора: у першому випадку відбувається зміна форми під дією поданого стисненого повітря з подальшим поверненням до початкового стану, а в другому - перемикання між двома бістабільними станами.

Для демонстрації можливостей розроблених пристроїв, інженери створили прототипи роботів: робомедузу і робогусницю. Як виявилося, роботи на основі нових актуаторів, що імітують рухи медузи і гусениці, перевершують за швидкістю пересування аналогічні конструкції, що створювалися раніше з використанням інших технологій, а також деякі види справжніх медуз і гусениць. Наприклад, робомедуза в дослідженні змогла розвинути швидкість 53 міліметри в секунду, що приблизно в два рази вище швидкості, яку розвивають медузи і (близько 25 міліметрів на секунду) при тій же частоті скорочень тіла.

Також інженери створили м'який маніпулятор, що складається із закріплених у власнику пальців. Для того щоб розкрити маніпулятор, потрібно подати в актуатори повітря, однак утримувати вантаж він здатний без додаткових витрат енергії, тільки за рахунок власної попередньої деформації актуаторів.

Це далеко не перший раз, коли творці роботів надихаються рухами медузи. Наприклад, в одній з наших попередніх нотаток ми вже розповідали про те, як німецькі інженери створили робомедузу, керовану магнітним полем. Вона здатна захоплювати предмети своїми щупальцями і рити поглиблення в дні.