Мягкие машины и роботы становятся все более и более функциональными, способными двигаться, прыгать, хвататься за объект и даже менять цвет. Элементы, отвечающие за их приводное движение, часто представляют собой мягкие надувные сегменты, называемые гидравлическими приводами. Эти приводы требуют большого количества воздуха или воды для изменения формы, что делает машины медленными, громоздкими и их трудно отвязать.Группа исследователей из Гарвардской школы инженерии и прикладных наук им.
Джона А. Полсона (SEAS) разработала новый мягкий привод, который использует силу нестабильности для мгновенного движения.Исследованием руководила Катя Бертольди, адъюнкт-профессор естественных наук Джона Л. Лоеба, член Института науки и технологии бионано Кавли и преподаватель Центра материаловедения и инженерии. Работа описана в статье в Proceedings of the National Academy of Sciences.
Привод вдохновлен известным физическим экспериментом, в котором два воздушных шара надуваются до разных размеров и соединяются с помощью трубки и клапана. Когда клапан открыт, воздух проходит между воздушными шарами. Вместо того, чтобы уравняться в размерах, как и следовало ожидать, больший воздушный шар надувается сильнее, а меньший сдувается.
Это неожиданное поведение происходит из-за нелинейной взаимосвязи между давлением и объемом воздушных шаров, а это означает, что увеличение объема не обязательно увеличивает давление.«Когда надувается воздушный шар, первые несколько ударов самые тяжелые, но после достижения критического давления становится легче», — сказал Йоханнес Овервельде, аспирант SEAS и первый автор статьи. «Подобно воздушным шарам, в нашем исследовании мы соединяем жидкие сегменты таким образом, что взаимодействие между их нелинейным откликом приводит к неожиданному поведению.
Определенные комбинации этих взаимосвязанных сегментов могут привести к быстро движущейся нестабильности с незначительным изменением объема».Эти быстро изменяющиеся нестабильности, называемые нестабильностями мгновенного действия, вызывают большие изменения внутреннего давления, растяжения, формы и приложенной силы с небольшими изменениями объема. Если их использовать, эти нестабильности позволят мягким роботам быстро перемещаться без необходимости носить с собой или быть привязанными к источнику жидкости.Но сначала команде Бертольди нужно было найти способ контролировать то, что по определению неконтролируемо.
Команда начала с создания и наполнения водой 36 отдельных сегментов и измерения их реакции. Затем, используя сложный компьютерный алгоритм, они определили ответы всех возможных комбинаций сегментов.Всего из двух сегментов можно было собрать 630 возможных приводов, каждый с разным комбинированным откликом. Некоторые комбинации показали нестабильность, другие — нет.
Команда выбрала предпочтительный ответ для конкретного приложения. Одна комбинация, например, привела бы к внезапному увеличению длины привода, перемещая его как червяк.
Другая комбинация быстро перенесет весь объем из одного сегмента в другой.Эти быстрые движения могут быть вызваны небольшим объемом.
Например, 1 мл. воды вызвало резкую нестабильность, в результате чего внутренний объемный поток составил 20 мл.«Прелесть этих отдельных сегментов в том, что их легко и дешево изготовить из материалов, имеющихся в продаже. Однако, когда вы соединяете сегменты, вы получаете мягкие приводы с очень сложным поведением», — сказал Овервельде. «Соединяя несколько сегментов, вы можете встроить в привод простую программу, которая может выполнять сложную последовательность локального накачивания и выпуска воздуха».Следующим шагом будет проверка этой нестабильности в мягкой робототехнике.
«Инженеры долгое время избегали нестабильности, потому что она часто приводит к отказу», — сказал Бертольди. «Примечательно, что сама по себе нестабильность позволила улучшить и продвинуть вперед область мягких исполнительных механизмов».Соавторами этого исследования являются Тамара Клок и Джонас Д’Хэн.
Он был поддержан Научно-техническим центром материаловедения и Национальным научным фондом.