Origiami zmienia miękką robotykę

fot. pixabay

Inżynierowie z Uniwersytetu Princeton stworzyli robota poruszającego się bez silnika ani przekładni, wykorzystując ciepło i mechanikę origami. Ich miękki system robotyczny opiera się na połączeniu zaawansowanych materiałów termoczułych, elastycznej elektroniki i starannie zaprojektowanych, składanych konstrukcji, aby umożliwić ruch, rezygnując z tradycyjnych elementów mechanicznych.

Miękka robotyka koncentruje się na konstruowaniu robotów z wysoce elastycznych, odkształcalnych materiałów i systemów. Ich elastyczność sprawia, że ​​doskonale nadają się one do zadań, z którymi zmagają się sztywne maszyny, takich jak manipulowanie delikatnymi przedmiotami, poruszanie się w ciasnych przestrzeniach, a także pełnienie funkcji implantów medycznych lub systemów dostarczania leków wewnątrz ludzkiego ciała.

Problem polega na tym, że by móc się poruszać, większość miękkich robotów nadal opiera się na silnikach, siłownikach lub zewnętrznych układach pneumatycznych, co ogranicza ich rozmiar, lekkość i zdecydowanie je usztywnia. Zespół z Princeton podjął się rozwiązania wymienionych wyzwań, integrując dwie rzadko łączone dziedziny: materiałoznawstwo i inżynierię origami.

Sercem projektu jest specjalny polimer zwany elastomerem ciekłokrystalicznym, który w przeciwieństwie do zwykłych elastycznych materiałów posiada wewnętrznie uporządkowaną strukturę molekularną. Korzystając z niestandardowej drukarki 3D, naukowcy zaprogramowali orientację cząsteczek strefa po strefie, tworząc podczas druku odrębne obszary, które reagują w inny sposób po ich podgrzaniu. Układając je w określone wzory, zespół skutecznie wbudował bezpośrednio w materiał zawiasy. Pod wpływem ciepła kurczą się one w przewidywalny sposób, powodując składanie i rozkładanie konstrukcji zgodnie z wcześniej zaprojektowaną sekwencją.

Dokładne kontrolowanie, które strefy się nagrzewają, to obszar, w którym pojawia się elektronika. Zespół podczas samego procesu drukowania wbudował w zawiasy elastyczne płytki drukowane wraz z elementami grzejnymi. Takie podejście upraszcza produkcję i pozwala zachować zwartą konstrukcję. Wbudowane czujniki temperatury przesyłają dane do oprogramowania sterującego, które kompensuje drobne błędy kumulujące się podczas wielokrotnego składania i rozkładania robota.

Aby zademonstrować swoją koncepcję, naukowcy zbudowali żurawia, klasyczną figurę origami, który macha skrzydłami na komendę. Żuraw wielokrotnie poruszał się i powracał do pierwotnego kształtu bez zauważalnego zużycia ani odkształceń. Daleko mu jeszcze do w pełni funkcjonalnego robota, ale dowodzi to, że koncepcja naukowców jest absolutnie słuszna.

Usunięcie ograniczeń autonomicznego ruchu mechanicznego otwiera nowy kalejdoskop możliwości dla miękkiej robotyki. Na razie system pozostaje w fazie eksperymentalnej, jednak jego projekt jest już teraz nastawiony na produkcję, wykorzystując komercyjnie dostępne materiały i skalowalne metody produkcji.

Zespół opublikował swoją pracę w czasopiśmie Advanced Functional Materials.

(rr)