Инженеры создали скоростную робомедузу

Американские инженеры разработали мягкие пневматические актуаторы для полностью мягких роботов и на их основе создали робомедузу, способную передвигаться быстрее настоящих медуз. В конструкции используются предварительно деформированные элементы, благодаря напряжению в которых актуаторы способны быстро изменять свою форму под действием сжатого воздуха и переключаться между стабильными состояниями. Статья опубликована в журнале Advanced Materials Technologies.

Мягкие роботы, созданные из полностью мягких материалов, давно привлекают внимание инженеров и ученых. Такие устройства могут быть полезны там, где требуется безопасное взаимодействие с окружением или человеком — например, в медицине. Подвижность полностью мягких роботов обычно основывается на растяжении, сжатии, изгибе и скручивании, актуаторы для них делают из мягких эластичных материалов, а приводятся в действие они с помощью пневматики или гидравлики.

Ведущий автор исследования Иньдин Чи (Yinding Chi) и его коллеги из Университета Северной Каролины и Университета Темпл разработали усовершенствованный пневматический актуатор для мягких роботов. Их новая работа стала продолжением предыдущего проекта, в котором инженеры создали робота на основе мягкого актуатора с бистабильным позвоночником с пружиной, благодаря чему он мог передвигаться галопом.

В рамках нового исследования инженеры построили актуаторы двух форм: в виде короткой ленты и диска. Каждое из этих устройств состоит из слоев эластомерного материала (силикон Ecoflex). Нижний слой подвергся предварительному растяжению: ленты растягивались вдоль длинного измерения, а диски — радиально. В результате ленты стали дугообразными, тогда как диски приняли форму купола. На следующем этапе растянутый слой скрепили с недеформированным слоем этого же материала, внутри которого проходят воздушные каналы. Из-за механических напряжений в нижнем растянутом слое вся получившаяся конструкция деформировалась, сохраняя это стабильное состояние.

Под воздействием сжатого воздуха, подаваемого через воздушные каналы, актуатор меняет форму, причем конечный результат зависит от соотношения толщины слоев: в случае, когда толщина предварительно деформированного слоя превышает толщину недеформированного, происходит увеличение существующего изгиба, а обратное соотношение приводит к отклонению актуатора в противоположном направлении. Также на направление и величину итогового отклонения влияет величина предварительной деформации первого слоя и значение давления нагнетаемого воздуха.

В зависимости от перечисленных выше условий разработчики выделили два режима работы актуатора: в первом случае происходит изменение формы под действием подаваемого сжатого воздуха с последующим возвращением к первоначальному состоянию, а во втором — переключение между двумя бистабильными состояниями.

Для демонстрации возможностей разработанных устройств, инженеры создали прототипы роботов: робомедузу и робогусеницу. Как оказалось, роботы на основе новых актуаторов, имитирующие движения медузы и гусеницы, превосходят по скорости передвижения аналогичные конструкции, создававшиеся ранее с использованием других технологий, а также некоторые виды настоящих медуз и гусениц. Например, робомедуза в исследовании смогла развить скорость 53 миллиметра в секунду, что примерно в два раза выше скорости, которую развивают медузы Mitrocoma cellylaria и Philalidium gregarium (около 25 миллиметров в секунду) при той же частоте сокращений тела.

Также инженеры создали мягкий манипулятор, состоящий из закрепленных в держателе пальцев. Для того чтобы раскрыть манипулятор, требуется подать в актуаторы воздух, однако удерживать груз он способен без дополнительных затрат энергии, только за счет собственной предварительной деформации актуаторов.

Это далеко не первый раз, когда создатели роботов вдохновляются движениями медузы. Например, в одной из наших предыдущих заметок мы уже рассказывали о том, как немецкие инженеры создали робомедузу, управляемую магнитным полем. Она способна захватывать предметы своими щупальцами и рыть углубления в дне.

Андрей Фокин