Американцы создали управляемый паром роботекстиль
Американские инженеры разработали роботекстиль, формой которого можно управлять с помощью изменения объема отдельных модулей-актуаторов, из которых он состоит. В основе лежит процесс испарения при нагревании и процесс конденсации при охлаждении жидкости. Изобретение может применяться для создания медицинских устройств, необходимых, например, для проведения механотерапии говорится в статье, опубликованной в журнале Advanced Materials Technologies.
Мягкие роботы и носимые мягкие устройства из текстиля благодаря безопасному взаимодействию с окружением и человеком отлично подходят для медицинского применения — например, для реабилитационной механотерапии. При этом большинство этих устройств содержит в своей конструкции пневматические или гидравлические актуаторы, для работы которых необходимо наличие насосов, клапанов и трубопроводов. Это дополнительное оборудование увеличивает вес конструкции и снижает мобильность, поэтому инженеры работают и над альтернативными конструкциями актуаторов.
Американские инженеры во главе с Конором Уолшем (Conor Walsh) и Ванессой Санчез (Vanessa Sanchez) из Института биоинженерии Висса Гарвардского университета разработали мягкий роботизированный текстиль, форму которого можно изменять с помощью актуаторов, основанных на фазовом переходе жидкость-пар и оснащенных системой управления с обратной связью.
Роботкань состоит из нескольких основных слоев и представляет собой матрицу из отдельных запаянных модулей, которые выполняют функции актуаторов. Внутри каждой ячейки находится вещество 1-метоксигептафторпропан — негорючая и малотоксичная жидкость с температурой кипения около 34 градусов Цельсия при нормальном атмосферном давлении. При нагревании жидкости с помощью встроенного в модуль нагревателя происходит ее испарение. Расширяющийся пар расширяет модуль. После отключения нагревателя и снижения температуры до комнатной пар конденсируется, а ячейка уменьшается до первоначального состояния.
Давление внутри модулей отслеживается с помощью встроенных сенсоров и в случае необходимости через пропорционально-интегральный регулятор мощность нагревателя изменяется. Такая система позволяет реагировать на изменения внешней температуры, компенсируя ее влияние на актуатор.
Каждая ячейка состоит из трех основных слоев: слоя с сенсором давления, представляющим собой конденсатор с электродами из текстиля, слоя с нагревательным элементом и мембраны между ними.
При изготовлении слоя с нагревателем проводящий нейлон, покрытый серебром, приклеивается к подложке из нейлона, покрытой термопластичным полиуретаном. После этого лазер формирует из проводящего текстиля схему нагревательных элементов матрицы будущих модулей. Затем все элементы слоя с нагревателем скрепляются с помощью термопресса. Слой с емкостными датчиками давления изготавливается схожим образом. Затем все слои с нанесенными с внешней стороны управляющими электродами спаиваются вместе по периметру ячеек, заполняются жидкостью с помощью шприца и окончательно герметизируются.
В качестве основной области применения разработки инженеры называют медицину. Гибкость, легкость и модульность получившейся конструкции позволяют изготавливать носимые устройства необходимой формы. В частности, из роботекстиля можно создавать устройства для механотерапии и реабилитации пациентов, или умные программируемые подушки для инвалидов-колясочников. Возможно также, что новый роботекстиль найдет применение в индустрии моды и высокотехнологичной одежды.
Недавно мы рассказывали про разработку пневматического актуатора для мягких роботов, на основе которого инженеры создали робомедузу, способную передвигаться быстрее некоторых настоящих медуз.
Андрей Фокин
А также летать, ездить и самостоятельно прокладывать маршрут
Инженеры разработали робота-трансформера под названием Morphobot M4, который может ездить как четырехколесный ровер, летать как квадрокоптер, ходить как четвероногий робот и стоять вертикально, балансируя на двух ногах-колесах. Кроме того он способен комбинировать эти режимы, чтобы преодолевать встречающиеся на пути препятствия. Робот оснащен автономной системой навигации и может самостоятельно прокладывать маршрут, выбирая подходящий режим передвижения. Благодаря таким возможностям Morphobot сможет применяться для широкого спектра задач, оптимально расходуя энергию. Статья опубликована в журнале Nature Communications. Большинство из существующих сегодня типов роботов не универсальны и не могут передвигаться в любых условиях одинаково эффективно. К примеру, мультикоптеры тратят много энергии в полете и поэтому могут находиться в воздухе непродолжительное время, а колесные и ходячие роботы обладают более высокой энергоэффективностью, но ограничены передвижением по относительно ровной поверхности. Инженеры пытаются обойти эти ограничения через создание гибридных конструкций. Например, американские инженеры совместили квадрокоптер с ходячим двуногим роботом, а разработчики из Кореи собрали гибрид коптера с колесным ровером. Большинство подобных проектов объединяет один недостаток: часть конструкции робота, предназначенная для передвижения в одной среде, никак не используется при движении в другой, выступая лишь в качестве пассивного груза. Инженеры под руководством Мортезы Гариба (Morteza Gharib) из Калифорнийского технологического института решили создать гибридного робота, все части конструкции которого принимают участие в разных типах движения. В результате у них получился робот-трансформер Morphobot M4, который представляет собой гибрид квадрокоптера и четырехколесного робота. Его масса около шести килограмм, а многие детали выполнены из углеволокна и с помощью 3D-печати. В режиме колесного ровера длина робота составляет 0,7 метра, а ширина и высота 0,35 метра. Четыре колеса робота диаметром 0,25 метра расположены на концах балок, которые играют роль подвижных конечностей. Они могут отклоняться сервомоторами в двух направлениях продольно и перпендикулярно в сторону от корпуса. Колеса приводятся в движение отдельными электромоторами. При трансформации в квадрокоптер обода выступают в роли защитных бамперов для воздушных винтов, расположенных внутри колес с электромоторами в осях, а четыре конечности робота разворачиваются, направляя плоскости пропеллеров параллельно поверхности земли. Корпус робота в этом режиме поддерживается расположенными снизу посадочными опорами. Суммарная тяга всех четырех винтов составляет около девяти килограмм. Morphobot может комбинировать два основных режима, например, для того чтобы преодолевать препятствия, которые он не может переехать. Для этого роторы в одной части робота разворачиваются в полетный режим, а вторая пара конечностей продолжает опираться на колеса. Таким образом робот может забираться на крутые склоны с наклоном больше 45 градусов, затрачивая меньше энергии, чем при полноценном полете в режиме квадрокоптера. Также используя пару винтов только с одной стороны М4 может принять вертикальное положение, балансируя на двух колесах, напоминая при этом двуногий ходячий робот. В режиме ровера М4 может регулировать высоту корпуса относительно поверхности, выдвигая конечности с колесами вперед и назад. Это может пригодиться для преодоления препятствий с ограничением по высоте. Робот также может ходить как четвероногий, перебирая конечностями с колесами как ногами, это может пригодится для преодоления неровностей на пути. Помимо этого, М4 способен использовать конечности с колесами в роли манипуляторов, ухватывая и удерживая предметы с помощью колесных ободов. В качестве примера разработчики продемонстрировали, как робот удерживает таким образом небольшой шар, балансируя при этом на двух колесах в вертикальном положении. Morphobot может передвигаться автономно, трансформируясь в наиболее подходящий в текущей ситуации режим. Для низкоуровневого управления используются два отдельных микроконтроллера, которые отвечают за движения колес и конечностей в режиме ровера и за полет в режиме коптера. Навигация и планирование маршрута происходят с помощью компьютера Jetson Nano, который использует данные об окружении, поступающие со стереокамеры Intel RealSense. На борту также есть инерционный измерительный модуль, средства беспроводной коммуникации для удаленного управления и батарея емкостью 4000 миллиампер-час. https://www.youtube.com/watch?v=S4eQXXxUnNE По словам разработчиков, такие способности позволят использовать подобных роботов-трансформеров для широкого спектра задач, например, для поиска и спасения людей во время стихийных бедствий, или в качестве робота для исследования космоса. Ранее мы рассказывали о другом дроне-трансформере с необычной конструкцией под названием DRAGON, которого построили японские инженеры. Он состоит из нескольких сегментов, может менять форму прямо в полете, захватывать предметы, огибая их с двух сторон и поворачивать вентили.