Viskosität ermöglicht komplexe Bewegungen für Soft-Roboter

Nov 20, 2023

Andrew Corselli

Ein Team von Cornell-Forschern unter der Leitung von Assistenzprofessorin Kirstin Petersen hat ein neues und einfaches System von flüssigkeitsbetriebenen Aktuatoren entwickelt, die es weichen Robotern ermöglichen, komplexere Bewegungen auszuführen. Dazu machte sich das Team genau das zunutze, was zuvor die Bewegung solcher Roboter behindert hatte – die Viskosität.

Das Labor hatte nach Möglichkeiten gesucht, die kognitiven Fähigkeiten und Verhaltensweisen eines Roboters vom „Gehirn“ auf den Körper zu übertragen – über seine mechanischen Reflexe und seine Fähigkeit, seine Umgebung zu nutzen. Durch die Reduzierung der Notwendigkeit expliziter Berechnungen kann der Roboter einfacher, robuster und kostengünstiger in der Herstellung werden.

„Weiche Roboter haben eine sehr einfache Struktur, können aber über eine viel flexiblere Funktionalität verfügen als ihre starren Cousins“, sagte Petersen. „Sie sind so etwas wie der ultimative verkörperte intelligente Roboter. Die meisten weichen Roboter werden heutzutage von Flüssigkeiten angetrieben. In der Vergangenheit haben die Leute darüber nachgedacht, wie wir für unser Geld mehr herausholen könnten, indem wir Funktionalität in das Robotermaterial, wie das Elastomer, integrieren.“ Stattdessen haben wir uns gefragt, wie wir mit weniger mehr erreichen können, indem wir die Wechselwirkung der Flüssigkeit mit diesem Material nutzen.“

Traditionell funktioniert der flüssigkeitsbetriebene Aktuator eines Soft-Roboters, wenn gleichmäßig unter Druck stehende Flüssigkeit durch eine Elastomerblase oder einen Elastomerbalg fließt. Der größte Knackpunkt besteht darin, dass sich der Druck im Inneren des Aktuators anders anpasst, wenn die Strömung im Inneren des Aktuators viskos ist, was dazu führt, dass die Bewegung des Aktuators träge wird und der Roboter langsamer wird.

Petersens Team ging von einer ähnlichen Vorlage aus, verband jedoch eine Reihe von Elastomerbälgen mit schlanken Rohren, die in einem Paar paralleler Säulen verlaufen, alles in einem geschlossenen System. Diese Methode ermöglicht antagonistische Bewegungen. Die winzigen Röhrchen induzieren eine Viskosität, die zu einer gleichmäßigen Druckverteilung führt und den Aktuator in unterschiedliche Verzerrungen und Bewegungsmuster verbiegt. Normalerweise wäre das ein Problem, aber das Team hat daraus einen Vorteil gemacht.

Der Hauptautor Yoav Matia entwickelte ein vollständig beschreibendes Modell, das die möglichen Bewegungen des Aktuators vorhersagen und vorhersehen konnte, wie unterschiedliche Eingangsdrücke, Geometrien sowie Rohr- und Balgkonfigurationen diese erreichen – und das alles mit einer einzigen Flüssigkeitszufuhr.

„Die Rolle der heutigen inerten Strukturmaterialien wird in unseren zukünftigen Maschinen eine ganz andere sein“, sagte Matia. „Es liegt darin, Handlungsfähigkeit und Berechnung in Materialien einzubetten – organisch im Material, im Herstellungsprozess und im physikalischen Phänomen, das das System steuert – und es ihnen zu ermöglichen, durch physikalische Mechanismen und interne Architektur unabhängig zu agieren. Diese Arbeit stellt einen neuartigen skalierbaren Rahmen dar, um Kontrolle zu manifestieren.“ des Materials durch das Material, wo sonst träge Strukturmaterie in ihrem eigenen Namen handelt.

Um die Technologie zu demonstrieren, baute das Team einen sechsbeinigen Softroboter mit zwei Spritzenpumpen oben, der sich duckt und mit 0,05 Körperlängen pro Sekunde geht.

Automatisierung des Designs von Soft Robots

Tool hilft bei der Entwicklung weicher Roboter, die sich biegen und drehen können

„Wir haben die gesamte Palette an Methoden detailliert beschrieben, mit denen Sie diese Aktuatoren für zukünftige Anwendungen entwerfen können“, sagte Petersen. „Wenn die Aktuatoren beispielsweise als Beine verwendet werden, zeigen wir, dass man durch einfaches Überqueren eines Rohrsatzes von einem straußenähnlichen Gang, der einen wirklich weiten Stand hat, zu einem elefantenähnlichen Trab wechseln kann.“

„Dies ist im Grunde ein völlig neues Teilgebiet der Soft-Robotik“, fügte sie hinzu. „Diesen Raum zu erkunden wird super interessant sein.“

Hier ist ein Tech Briefs-Interview mit Petersen, das aus Gründen der Klarheit und Länge bearbeitet wurde.

Technische Briefs: Was hat die Verwendung von Viskosität inspiriert?

Petersen: Software-Roboter sind diese neue Art von Robotern, die für bestimmte Anwendungen wirklich vorteilhaft sind, bei denen unendliche Freiheitsgrade nützlich sind – die Fähigkeit, sich auf unbegrenzte Weise zu bewegen, und die Fähigkeit, sich sicher um Objekte herum zu bewegen und die Fähigkeit, in Bezug auf Konformität einzuhalten von äußeren Störungen und dergleichen.

Die meisten Softroboter werden von Flüssigkeiten angetrieben. Früher haben die Leute gesagt: „Ich möchte diese unendlichen Freiheitsgrade haben, aber es ist wirklich schwer, sie zu kontrollieren.“ Ich hatte wirklich fortschrittliche Controller, denn wenn ich den Roboter irgendwohin schieben möchte, brauche ich einen anderen Controller-Typ. Der große Fokus der letzten Jahre lag also auf der Frage: „Wie vereinfachen wir die Steuerungskomplexität?“ Typischerweise schauen sich die Leute dafür das Material an: Wie können wir den Polymeren zusätzliche Kontrolle verleihen, damit die eigentlichen Treiber nicht so kompliziert werden?

Wir sagten: „Okay, wir haben uns das Material angesehen, versuchen wir stattdessen, einen Blick auf die Flüssigkeiten zu werfen. Und was wäre, wenn wir es erforschen würden, anstatt zu versuchen, Viskosität zu vermeiden – was die Leute normalerweise tun?“

Technische Briefs: Wie lange hat der Bau Ihres sechsbeinigen Roboters gedauert und was waren die größten technischen Herausforderungen für Sie?

Petersen : Nachdem wir verstanden hatten, wie wir unsere Aktuatoren bauen sollten, dauerte der Zusammenbau des Roboters nur ein paar Wochen. das war ganz einfach. Eigentlich hat es am längsten gedauert, es stabil zu machen, weil wir weiche Aktuatoren verwenden.

Am schwierigsten waren die Aktuatoren selbst, denn wir wollen sehen, ob wir sie mit sehr preisgünstigen Materialien herstellen können. Und am Ende sind wir irgendwie davon abgewichen und haben einfach gesagt, wir sollten sie einfach in einem High-End-Polymer drucken, damit wir diese niedrigen Bälge haben und sie funktionieren.

Aber wir wollen sie in Zukunft tatsächlich mit den preisgünstigen Standard-Filamentdruckmaschinen drucken, die die Leute zu Hause haben, sodass Sie einfach Ihren eigenen Aktuator herstellen können.

Technische Briefs : Gehen und Hocken sind die beiden aktuellen Permutationen des Roboters. Was wollen Sie sonst noch bewirken?

Petersen : Ich bin wirklich begeistert davon. Die Idee ist, dass wir jetzt mit einem einzigen Treiber – nur dieser einen Spritzenpumpe – eine beliebige Anzahl von Gates erstellen können. Stellen Sie sich also nicht nur einen Laufroboter vor, bei dem wir je nach Untergrund die Stempel oder die Laufart ändern können, sondern stellen Sie sich auch einen Schwimmroboter vor, der Brustschwimmen ausführen kann oder der rückwärts gehen kann, wenn er seinen Torzyklus umkehrt. Sie können sich Greifer vorstellen; Versuchen Sie zum Beispiel, eine kontinuierliche Bewegung zu erzeugen, etwa das Schrauben einer Mutter um eine Schraube, oder irgendwo, wo wir fortgeschrittene Bewegungen wünschen, bei denen wir sowohl die Position als auch die Position zeitlich steuern können.

Technische Briefs : Was sind Ihre Pläne für zukünftige Erkundungen? Sind weitere Schritte geplant?

Petersen : Im Moment können wir Bewegungen nur irgendwie kontinuierlich erzeugen, also dynamisch, es wird sich bewegen, aber sobald es wieder in den stationären Zustand zurückkehrt, ist es immer eine Version von ausgefahren oder eingefahren. Wir können die Spitze des Roboters nicht mehr irgendwo platzieren, wo wir wollen, sobald er stationär ist. Deshalb freue ich mich darauf, dies mit traditionellen Technologien wie Ventilen usw. zu kombinieren, um immer noch sehr ähnliche Steuerungen zu haben, aber etwa eine zusätzliche Komplexitätsebene, sodass wir auch stationäre Positionen überall im Arbeitsbereich des Aktuators erreichen können.

Technische Briefs: Haben Sie einen Rat für Ingenieure, die ihre Ideen verwirklichen oder vermarkten möchten?

Petersen : Geduld. Es ist überraschend, wie lange es dauert, eine gute Demo zu erstellen und zu überprüfen, ob sie gut funktioniert. Trauen Sie sich natürlich auch zu träumen!