В последние годы, благодаря прогрессу материаловедения, результаты исследований, связанных с мягкими роботами, были замечательными. По сравнению с традиционными жесткими роботами, конструкция мягких роботов вдохновлена ​​биологическими системами в природе, такими как черви, осьминоги, гекконы и лягушки. подождите. Эти существа используют мягкие, эластичные материалы, чтобы продемонстрировать замечательную локомоцию в сложных условиях. Однако в практических приложениях мягкие роботы полагаются на внешнюю мощность или движущую силу и связаны через физические тросы, что приводит к ограниченному диапазону действий. Кроме того, вес традиционных мягких приводов, таких как пневматические сетевые приводы (пневмосети), также стал ключевым фактором, ограничивающим неограниченную работу мягких роботов.

Для решения этой проблемы команда профессора МИЧИНАО ХАШИМОТО и его коллеги из Сингапурского университета технологий и дизайна (SUTD) разработали мягкий актуатор FiBa (пленочный баллон), который принес новые прорывы в область мягких роботов.

17 июля 2024 года результаты исследования были опубликованы в журнале Science Robotics под заголовком «Ползание, лазание, усаживание и полет мягких роботов FiBa».

Мягкий актуатор FiBa изготовлен из силикона Dragon Skin 30 и полимерной пленки с боковой кривизной.

Мягкий актуатор FiBa использует уникальную структурную конструкцию, которая объединяет пневматический баллон, напечатанный на 3D-принтере, с полимерной пленкой с боковой кривизной. Преимущество этой конструкции в том, что она может эффективно снизить вес актуатора, сохраняя при этом его многофункциональные характеристики, тем самым достигая непривязанной работы.

По сравнению с традиционными материалами из силиконовой резины, приводы FiBa используют силикон Dragon Skin 30, который имеет более высокий модуль упругости (около 593 кПа), что может обеспечить более высокие возможности привода без добавления слишком большого веса. Высокий модуль упругости означает, что при том же объеме силикон Dragon Skin 30 может создавать большее внутреннее давление, тем самым улучшая изгибающие и приводные эффекты привода.

Другим ключевым компонентом привода FiBa является полимерная пленка с боковой кривизной. Этот пленочный материал не только легкий, но и обладает хорошей гибкостью и пластичностью. Благодаря внедрению конструкции с боковой кривизной повышается локальная жесткость пленки, что позволяет осуществлять направленный изгиб при надувании и быстро возвращаться к исходной форме после сдувания. Исследователи заявили, что благодаря проектированию боковой кривизны изгибные свойства полимерной пленки значительно улучшаются, тем самым повышая общую производительность и надежность привода.

Стоит отметить, что традиционные плоские пленочные материалы склонны к нерегулярному скручиванию и изгибу при воздействии внешних сил. Благодаря внедрению конструкции с боковой кривизной характеристики изгиба пленки направленно улучшаются. Когда баллон надувается, пленка изгибается вдоль заданного направления кривизны, тем самым создавая стабильную движущую силу. Эта направленная характеристика изгиба не только повышает точность управления приводом, но и продлевает срок его службы.

Конструкция боковой кривизны также помогает улучшить структурную надежность и долговечность привода. В процессе сдувания пленка может быстро вернуться к своей первоначальной форме, избегая ухудшения производительности и структурных повреждений, вызванных длительной деформацией. Кроме того, путем оптимизации параметров кривизны и толщины пленки угол изгиба и движущая сила привода могут быть дополнительно скорректированы для удовлетворения потребностей различных сценариев применения.

С точки зрения конструкции, привод FiBa использует модульный подход к проектированию, включая модуль изгиба FiBa и модуль балки переменной жесткости FiBa. Благодаря модульной конструкции исследователи могут быстро прототипировать привод и выполнять итеративную оптимизацию. Различные модули могут быть объединены в приводы различных форм и функций для удовлетворения потребностей различных сценариев применения. Эта возможность быстрого прототипирования не только ускоряет цикл разработки продукта, но и снижает риски затрат.

Модульная структура привода FiBa также является высоко настраиваемой. Регулируя количество, расположение и параметры размера модулей, исследователи могут настраивать привод для адаптации к различным средам и задачам. Например, в роботе-альпинисте способность к подъему и устойчивость робота могут быть улучшены за счет увеличения количества и расположения модулей захвата и модулей изгиба.

Для достижения беспрепятственной работы привод FiBa также интегрирует электронные компоненты, такие как пневматические насосы, клапаны, батареи и платы управления. При выборе электронных компонентов исследователи фокусируются на их легкости и высокой эффективности. Например, использование микропневматических насосов и клапанов может снизить общий вес системы, а использование высокопроизводительных батарей и плат управления может повысить энергоэффективность и стабильность системы. Легкие электронные компоненты позволяют приводу FiBa стабильно работать в течение длительного времени в беспрепятственной среде.

С точки зрения интеграции исследователи снижают помехи сигнала и потери энергии за счет оптимизации компоновки и подключения электронных компонентов, а также повышают надежность и безопасность системы за счет добавления избыточных функций проектирования и диагностики неисправностей.

▍Обсуждение четырех форм мягких роботов FiBa и сценариев приземления

Для проверки производительности и универсальности приводов FiBa исследовательская группа успешно продемонстрировала четыре неограниченных бионических режима движения, а именно ползание по образцу черепах, лазание по образцу гусениц, сидение по образцу летучих мышей и полет по образцу божьих коровок.

Ползающий робот, вдохновленный черепахой, использует четыре модуля изгиба FiBa в качестве «плавников» для имитации передних конечностей черепахи, чтобы продвигать робота вперед, имитируя движение черепахи по суше. Эти модули объединены с 3D-печатными пневматическими баллонами через поперечно изогнутые полимерные пленки для достижения легких и эффективных движений изгиба. Робот также оснащен модулем подъемного привода для регулировки высоты фюзеляжа, когда это необходимо для адаптации к различным условиям местности.

Что касается сценариев применения, то после стихийных бедствий, таких как землетрясения и цунами, в руинах часто остается много узких щелей, в которые трудно проникнуть традиционным жестким роботам. Однако этот ползающий робот может легко проходить через эти щели, переносить оборудование, такое как детекторы жизни, искать застрявших людей и передавать спасателям информацию о ситуации на месте в режиме реального времени по беспроводной связи, что значительно повышает эффективность спасательных работ.

Робот-скалолаз, вдохновленный дюймовым червем, использует модуль изгиба FiBa и модуль захвата для достижения вертикального подъема, имитируя ползание дюймового червя. Модуль захвата плотно обхватывает поверхность для скалолазания через надутый силиконовый баллон, чтобы обеспечить достаточную поддержку. В то же время модуль изгиба FiBa заставляет робота двигаться вдоль поверхности для скалолазания, чтобы достичь устойчивого подъема.

В промышленной сфере этот робот-альпинист может использоваться для осмотра и обслуживания вертикальных трубопроводов, мостов и наружных стен высотных зданий. Робот оснащен камерами высокой четкости, инфракрасными тепловизорами и другим оборудованием для проведения детальных осмотров поверхности конструкции, оперативного обнаружения потенциальных угроз безопасности и снижения рисков и затрат на ручные осмотры. Этот робот-альпинист также хорошо справляется с осмотром инфраструктуры, такой как линии электропередач и вышки связи. Он может быстро подниматься по опорам линий электропередач или вышкам связи для осмотра линейных изоляторов, соединителей корпуса вышки и т. д., что повышает эффективность и точность осмотра.

Робот-усаживающийся на летучую мышь использует модули FiBa для создания легкого захвата с четырьмя пальцами, который имитирует то, как летучие мыши сидят на ветках вверх ногами. Пневматическая структура внутри захвата генерирует сильное усилие захвата после надувания, позволяя роботу устойчиво сидеть на опорах, таких как ветки и столбы.

С точки зрения применения, установка этого усаживающегося робота на дрон может значительно продлить время полета дрона. Во время миссии дрон может садиться на опору для экономии энергии и снова взлетать, когда миссия продолжается, тем самым снижая затраты энергии и расширяя область применения. В полевых работах, таких как геологоразведка и лесные обследования, усаживающийся робот может использоваться в качестве временной вспомогательной платформы. После завершения миссии дрон может садиться поблизости для зарядки или ожидания дальнейших инструкций, что повышает эксплуатационную эффективность и безопасность.

Летающий робот, вдохновленный божьей коровкой, использует модули балок с переменной жесткостью FiBa в качестве основных структурных компонентов крыла. Эти модули создают достаточную жесткость и прочность для поддержки полета в надутом состоянии и могут быть легко сложены и свернуты в ненадутом состоянии для удобства транспортировки и хранения. Робот также оснащен тяговым устройством и системой управления для достижения автономного полета и регулировки положения. В чрезвычайных ситуациях, таких как стихийные бедствия, этот летающий робот может быстро реагировать и точно доставлять срочно необходимые грузы, такие как еда и лекарства, в зону бедствия. Его складная конструкция крыла позволяет роботу занимать небольшое пространство во время транспортировки, облегчая крупномасштабное развертывание; в то время как возможность автономного полета обеспечивает точность и своевременность доставки материалов. В области мониторинга окружающей среды летающий робот может нести различные датчики и оборудование для проведения комплексного мониторинга и сбора данных о качестве воздуха, качестве воды и т. д. Его гибкие возможности полета и широкий диапазон мониторинга позволяют роботу быстро охватывать большие площади и предоставлять точную поддержку данных. Кроме того, его можно использовать в сельском хозяйстве для мониторинга вредителей и болезней, а также оценки состояния роста сельскохозяйственных культур.

▍Заключение и будущее

Появление мягких приводов FiBa знаменует собой крупный прорыв в технологии мягкой робототехники. Благодаря выбору легких материалов и применению модульной конструкции привод FiBa обладает легкими и многофункциональными характеристиками. Такая конструкция не только решает проблему веса традиционных мягких роботов, но и имеет чрезвычайно высокую генерализацию в практических сценариях. В будущем исследователи продолжат оптимизировать конструкцию и технические решения привода FiBa для повышения его производительности и надежности. Кроме того, с развитием технологий интеллектуального управления и автономной навигации ожидается, что мягкий робот FiBa в будущем будет работать более интеллектуально.