Центральная проблема в этой области, известной как «мягкая робототехника», является отсутствием приводов головок или «искусственных мышц», которые могут копировать многосторонность и исполнение реальной вещи. Однако Keplinger Research Group в Колледже Технических наук и прикладной науки теперь развивала новый класс мягких, электрически активированных устройств, способных к имитации расширению и сокращению естественных мышц. Эти устройства, которые могут быть построены из широкого спектра недорогих материалов, в состоянии самоощутить свои движения и самозажить от электрического повреждения, представляя важный шаг вперед в мягкой робототехнике.Электростатические приводы головок недавно развитого гидравлически усиленного самозаживления (HASEL) сторонятся больших, твердых поршней и двигателей обычных роботов для мягких структур, которые реагируют на приложенное напряжение с широким спектром движений.
Мягкие устройства могут выполнить множество задач, включая схватывание тонких объектов, таких как малина и сырое яйцо, а также подъем тяжелых объектов. Приводы головок HASEL превышают или соответствуют силе, скорости и эффективности биологической мышцы, и их многосторонность может позволить искусственные мышцы для подобных человеку роботов и следующего поколения протезов.Три различных проекта приводов головок HASEL детализированы сегодня в отдельных газетах, появляющихся в журналах Science и Science Robotics.
«Мы черпаем наше вдохновение из удивительных возможностей биологической мышцы», сказал Кристоф Кеплингер, ведущий автор обеих бумаг, доцент в Отделе Машиностроения и человек Материаловедения и Технической Программы. «Приводы головок HASEL объединяют преимущества мягких жидких и мягких электростатических приводов головок, и таким образом объединяют многосторонность и работу как никакая другая искусственная мышца прежде. Точно так же, как биологическая мышца приводы головок HASEL могут воспроизвести адаптируемость руки осьминога, скорость колибри и силу слона».Одно повторение устройства HASEL, описанного в Науке (видео резюме работы), состоит из раковины эластомера, имеющей форму пончика, заполненной электрически изолирующей жидкостью (такой как масло канолы) и зацепленный до пары противостоящих электродов. Когда напряжение применено, жидкость перемещена и стимулирует изменение формы мягкой раковины.
Как пример одного возможного применения, исследователи поместили несколько из этих приводов головок противоположность друг друга и достигли держащего влияния на электрическую активацию. Когда напряжение выключено, выпуски власти.Другой дизайн HASEL сделан из слоев очень поддающихся растягиванию ионных проводников, которых сэндвич слой жидкости, и расширяется и сокращает линейно после активации, чтобы или снять приостановленный галлон воды или согнуть механическую руку, проводящую бейсбол.В дополнение к служению в качестве гидравлической жидкости, которая позволяет универсальные движения, использование жидкого слоя изолирования позволяет приводам головок HASEL самозажить от электрического повреждения.
Другие мягкие приводы головок, которыми управляет высокое напряжение, также известное как диэлектрические приводы головок эластомера, используют твердый слой изолирования, который терпит неудачу катастрофически от электрического повреждения. Напротив, жидкий слой изолирования приводов головок HASEL немедленно возвращает свои изоляционные свойства после электрического повреждения. Эта упругость позволяет исследователям достоверно увеличивать устройства, чтобы проявить большие суммы силы.
«Способность создать электрически приведенные в действие мягкие приводы головок, которые снимают галлон воды в несколько раз в секунду, является чем-то, что мы не видели прежде. Эти демонстрации показывают захватывающий потенциал для HASEL,» сказал Эрик Акоум, докторант в группе Keplinger и ведущий автор научной работы. «Высокое напряжение, требуемое для операции, является проблемой для продвижения. Однако мы уже работаем над решением той проблемы и проектировали устройства в лаборатории, которые работают с одной пятой напряжения, используемого в данной статье».Приводы головок HASEL могут также ощутить экологический вход, во многом как человеческие мышцы и нервы.
Электрод и диэлектрическая комбинация в этих приводах головок формируют конденсатор. Эта емкость – который изменяется с протяжением устройства – может использоваться, чтобы определить напряжение привода головок.
Исследователи приложили привод головок HASEL к механической руке и продемонстрировали способность привести руку в действие, одновременно ощущая положение.Третий дизайн, детализированный в Научной Робототехнике и известный как привод головок Пеано-АЗЭЛЯ, состоит из трех маленьких прямоугольных мешочков, заполненных жидкостью, подстроенной вместе последовательно.
Раковина полимера сделана из того же самого недорогого материала как мешок чипсов, и тонкая, прозрачная, и гибкая. Устройства Пеано-АЗЭЛЯ сокращаются на применении напряжения, во многом как биологическая мышца, которая делает их особенно привлекательными для приложений робототехники.
Их электрически приведенное в действие движение позволяет операцию на скоростях, превышающих ту из человеческой мышцы.Многосторонность и простота технологии HASEL предоставляют себя широко распространенному промышленному применению, и теперь и в будущем.«Мы можем сделать эти устройства приблизительно за десять центов, даже сейчас», сказал Николас Келлэрис, также докторант в группе Keplinger и ведущий автор Научного исследования Робототехники. «Материалы недорогие, масштабируемые и совместимые с текущими промышленными технологиями производства».
Будущее исследование попытается далее оптимизировать материалы, геометрию и исследовать передовые методы фальсификации, чтобы продолжить улучшать платформу HASEL и быстро позволять практическое применение.Исследователи обеспечили патенты для технологии и в настоящее время исследуют коммерческие возможности с помощью Офиса Передачи технологии Валуна МЕДИ.«Исследование, выходящее из лаборатории доктора Кеплингера, является не чем иным как поразительный», сказал Бобби Браун, декан Колледжа Валуна МЕДИ Технических наук и прикладной науки. «Он и его команда студентов помогают создать будущее гибких, больше-humanlike роботов, которые могут использоваться, чтобы улучшить жизни и благополучие людей.
Эта линия исследования – основная, междисциплинарная сила нашего колледжа».Научная работа была написана в соавторстве Шэйном Митчеллом, Тимоти Моррисси, Мэдисон Эммет, Клэр Бенджамин, Мэдлин Кинг и Майлзом Рэдэковицем из Отдела Машиностроения.
Научная бумага Робототехники была создана в соавторстве Шэйном Митчеллом, Видьячарэном Гопэлуни Венкэтой и Гарреттом Смитом Машиностроения.