Оригами-роботы получили электромеханическую систему управления из гибких элементов

Американские инженеры сделали из гибких материалов систему управления для роботов, построенных по технике оригами. Они реализовали основной набор логических операций и испытали систему управления на роботаракане, двухколесном роботе и робомухоловке. Статья с описанием разработки опубликована в журнале Nature Communications.

Применение паттернов оригами в инженерии позволяет делать устройства складными, изменять их форму и объем. Например, построенный по этой технике корпус космического аппарата может складываться, чтобы сэкономить место под обтекателем ракеты, а колеса ровера менять форму прямо во время движения. В робототехнике оригами также находит применение. Однако обычно лишь в виде отдельных элементов в конструкциях манипуляторов или корпусов роботов. Созданию полноценного оригами-робота из плоского листа материала с помощью техник сгибания мешает необходимость использования в системах управления жестких элементов: микроконтроллеров, актуаторов и сенсоров.

Анкур Мехта (Ankur Mehta) из Калифорнийского университета совместно с группой инженеров предложил заменить все электронные полупроводниковые компоненты в конструкции оригами-роботов на электромеханические логические устройства, выполненные из гибких материалов. Для этого инженеры разработали базовый элемент под названием «мультиплексорный переключатель оригами» с двумя сигнальными входами и одним выходом.

Он состоит из гибкой полимерной бистабильной балки с электрическими контактами на каждой стороне и двух актуаторов из скрученных в спирали токопроводящих нитей. При приложении к актуатору напряжения в несколько вольт происходит его нагрев и сжатие. Один конец каждого актуатора прикреплен к бистабильной балке, а другой закреплен на раме. Когда балка притягивается левым актуатором, она перемещается в левое устойчивое состояние, при этом замыкается нижний контакт и размыкается верхний и наоборот. При этом на выходе устройства появляется или наоборот исчезает напряжение, в зависимости от сигналов на входных контактах.

Используя этот базовый элемент, инженеры реализовали основные логические элементы НЕ, И, ИЛИ, И-НЕ, ИЛИ-НЕ, а также простейший вид логического элемента памяти для хранения одного бита информации – SR триггер. Из-за того, что актуатору требуется некоторое время на нагрев и охлаждение эти устройства срабатывают с некоторой временной задержкой. При рабочем напряжении 2,4 вольта ее величина составляет в среднем около 1,5 секунды.

Для демонстрации работы схем управления на основе разработанных логических элементов авторы построили три прототипа оригами-роботов, которых они назвали OrigaMech. Корпус первого робота имеет несколько ног, две из которых служат для передвижения и крепятся к ротору электромотора. В передней части роботаракана находятся антенны с сенсорами касания из медной ленты. При столкновении хотя бы одной из них с препятствием происходит передача сигнала на управляющий гибкий переключатель, который меняет направление вращения двигателя и направление движения робота на обратное.

Второй робот выполнен в виде двухколесной платформы, каждое колесо которой вращается отдельным электромотором. Сверху на платформе находится диск с программой в виде токопроводящих дорожек и переключателей по которым скользит вращающаяся считывающая головка. Программа меняет скорость вращения каждого колеса между режимами медленного и быстрого вращения. Благодаря чему робот может ехать быстрее, медленнее или поворачивать, если скорость вращения колеса с одной стороны больше скорости вращения с противоположной.

Третий робот имитирует внешний вид ловушки хищного растения Венерина мухоловка. Ловушка захлопывается с помощью актуаторов, только если в систему управления поступают сигналы сразу от двух сенсоров касания на обеих створках. Благодаря схожему механизму настоящие венерины мухоловки могут отличить подвижную жертву от случайного неживого объекта. Также с этим роботом инженеры провели тесты на устойчивость к внешним воздействиям. Они механически изгибали конструкцию и воздействовали на нее электромагнитными помехами. Тесты показали высокую устойчивость механизмов оригамеха в сравнении с аналогом под управлением электроники.

Роботы OrigaMechs могут передвигаться, реагировать на внешние раздражители, и выполнять заданные действия с помощью электромеханических логических устройств и без использования сложной полупроводниковой электроники. Но как оказалось, при создании таких роботов можно отказаться даже от использования электричества. Так поступили инженеры из Калифорнийского университета в Сан-Диего. Они построили пневматического шагающего робота в котором вообще отсутствуют какие-либо электромеханические или электронные компоненты. Его система управления основана на логических элементах, которые работают только за счет системы клапанов и сжатого газа.