Trong những năm gần đây, do sự tiến bộ của khoa học vật liệu, các kết quả nghiên cứu liên quan đến robot mềm đã rất đáng chú ý trong những năm gần đây. So với robot cứng truyền thống, thiết kế của robot mềm được lấy cảm hứng từ các hệ thống sinh học trong tự nhiên, chẳng hạn như giun, bạch tuộc, tắc kè và ếch. chờ đã. Những sinh vật này sử dụng các vật liệu mềm, co giãn để chứng minh khả năng di chuyển đáng chú ý trong các môi trường phức tạp. Tuy nhiên, trong các ứng dụng thực tế, robot mềm dựa vào nguồn điện bên ngoài hoặc lực lái và được kết nối thông qua các dây buộc vật lý, dẫn đến phạm vi hoạt động hạn chế. Ngoài ra, trọng lượng của các bộ truyền động mềm truyền thống như bộ truyền động mạng khí nén (pneu-nets) cũng trở thành một yếu tố chính hạn chế hoạt động không bị hạn chế của robot mềm.

Để giải quyết vấn đề này, bộ truyền động mềm FiBa (bóng bay màng) do nhóm của Giáo sư MICHINAO HASHIMOTO và các cộng sự tại Đại học Công nghệ và Thiết kế Singapore (SUTD) phát triển đã mang đến những đột phá mới cho lĩnh vực robot mềm.

Vào ngày 17 tháng 7 năm 2024, kết quả nghiên cứu đã được công bố trên tạp chí Science Robotics với tiêu đề "Bò, trèo, đậu và bay của robot mềm FiBa".

Bộ truyền động mềm FiBa được thiết kế với lớp màng silicon và polymer Dragon Skin 30 có độ cong bên

Bộ truyền động mềm FiBa sử dụng thiết kế cấu trúc độc đáo kết hợp bóng khí nén in 3D với màng polyme có độ cong ngang. Ưu điểm của thiết kế này là có thể giảm hiệu quả trọng lượng của bộ truyền động trong khi vẫn giữ được đặc tính đa chức năng, do đó đạt được hoạt động không bị ràng buộc.

So với vật liệu cao su silicon truyền thống, bộ truyền động FiBa sử dụng silicon Dragon Skin 30, có mô đun đàn hồi cao hơn (khoảng 593 kPa), có thể cung cấp khả năng truyền động mạnh hơn mà không tăng quá nhiều trọng lượng. Mô đun đàn hồi cao có nghĩa là dưới cùng một thể tích, silicon Dragon Skin 30 có thể tạo ra áp suất bên trong lớn hơn, do đó tăng cường hiệu ứng uốn cong và truyền động của bộ truyền động.

Một thành phần quan trọng khác của bộ truyền động FiBa là màng polyme có độ cong bên. Vật liệu màng này không chỉ nhẹ mà còn có độ linh hoạt và dẻo tốt. Bằng cách giới thiệu thiết kế độ cong bên, độ cứng cục bộ của màng được tăng cường, cho phép uốn theo hướng khi bơm căng và nhanh chóng trở lại hình dạng ban đầu sau khi xì hơi. Các nhà nghiên cứu cho biết bằng cách thiết kế độ cong bên, các đặc tính uốn của màng polyme được cải thiện đáng kể, do đó cải thiện hiệu suất và độ tin cậy tổng thể của bộ truyền động.

Cần lưu ý rằng vật liệu màng phẳng truyền thống dễ bị xoắn và uốn cong không đều khi chịu tác động của lực bên ngoài. Bằng cách đưa vào thiết kế độ cong bên, các đặc tính uốn cong của màng được tăng cường theo hướng. Khi bóng bay được thổi phồng, màng uốn cong theo hướng cong được cài đặt trước, do đó tạo ra lực dẫn động ổn định. Đặc tính uốn cong theo hướng này không chỉ cải thiện độ chính xác điều khiển của bộ truyền động mà còn kéo dài tuổi thọ của nó.

Thiết kế độ cong bên cũng giúp cải thiện độ tin cậy về mặt cấu trúc và độ bền của bộ truyền động. Trong quá trình xì hơi, màng có thể nhanh chóng trở lại hình dạng ban đầu, tránh tình trạng suy giảm hiệu suất và hư hỏng cấu trúc do biến dạng lâu dài. Ngoài ra, bằng cách tối ưu hóa các thông số độ cong và độ dày của màng, góc uốn và lực dẫn động của bộ truyền động có thể được điều chỉnh thêm để đáp ứng nhu cầu của các tình huống ứng dụng khác nhau.

Về mặt thiết kế, bộ truyền động FiBa áp dụng phương pháp thiết kế mô-đun, bao gồm mô-đun uốn FiBa và mô-đun dầm có độ cứng thay đổi FiBa. Thông qua thiết kế mô-đun, các nhà nghiên cứu có thể nhanh chóng tạo mẫu bộ truyền động và thực hiện tối ưu hóa lặp lại. Các mô-đun khác nhau có thể được kết hợp thành các bộ truyền động có nhiều hình dạng và chức năng khác nhau để đáp ứng nhu cầu của các tình huống ứng dụng khác nhau. Khả năng tạo mẫu nhanh này không chỉ đẩy nhanh chu kỳ phát triển sản phẩm mà còn giảm rủi ro về chi phí.

Cấu trúc mô-đun của bộ truyền động FiBa cũng có khả năng tùy chỉnh cao. Bằng cách điều chỉnh số lượng, sắp xếp và các thông số kích thước của các mô-đun, các nhà nghiên cứu có thể tùy chỉnh bộ truyền động để thích ứng với các môi trường và nhiệm vụ khác nhau. Ví dụ, trong một robot leo trèo, khả năng leo trèo và độ ổn định của robot có thể được cải thiện bằng cách tăng số lượng và cách bố trí các mô-đun nắm và mô-đun uốn.

Để đạt được hoạt động không bị hạn chế, bộ truyền động FiBa cũng tích hợp các thành phần điện tử như bơm khí nén, van, pin và bảng điều khiển. Khi lựa chọn các thành phần điện tử, các nhà nghiên cứu tập trung vào độ nhẹ và hiệu quả cao của chúng. Ví dụ, việc sử dụng bơm và van khí nén siêu nhỏ có thể làm giảm tổng trọng lượng của hệ thống và việc sử dụng pin và bảng điều khiển hiệu suất cao có thể cải thiện hiệu quả năng lượng và tính ổn định của hệ thống. Các thành phần điện tử nhẹ cho phép bộ truyền động FiBa hoạt động ổn định trong thời gian dài trong môi trường không bị hạn chế.

Về mặt tích hợp, các nhà nghiên cứu giảm nhiễu tín hiệu và mất năng lượng bằng cách tối ưu hóa cách bố trí và kết nối các linh kiện điện tử, đồng thời cải thiện độ tin cậy và an toàn của hệ thống bằng cách bổ sung các chức năng thiết kế và chẩn đoán lỗi dự phòng.

▍Thảo luận về bốn dạng robot mềm FiBa và các tình huống hạ cánh

Để kiểm chứng hiệu suất và tính linh hoạt của bộ truyền động FiBa, nhóm nghiên cứu đã chứng minh thành công bốn chế độ chuyển động bionic không bị hạn chế, cụ thể là bò lấy cảm hứng từ rùa, leo trèo lấy cảm hứng từ sâu đo, đậu lấy cảm hứng từ dơi và bay lấy cảm hứng từ bọ rùa.

Robot bò lấy cảm hứng từ rùa sử dụng bốn mô-đun uốn cong FiBa làm "vây" để mô phỏng chân trước của rùa để đẩy robot về phía trước bằng cách mô phỏng chuyển động của rùa trên cạn. Các mô-đun này được kết hợp với các quả bóng khí nén in 3D thông qua các màng polyme cong ngang để đạt được các chuyển động uốn cong nhẹ và hiệu quả. Robot cũng được trang bị mô-đun bộ truyền động nâng để điều chỉnh chiều cao thân máy bay khi cần thiết để thích ứng với các điều kiện địa hình khác nhau.

Về mặt ứng dụng, sau các thảm họa thiên nhiên như động đất và sóng thần, thường có rất nhiều khe hở hẹp trong đống đổ nát, rất khó để robot cứng truyền thống đi vào. Tuy nhiên, robot bò này có thể dễ dàng đi qua các khe hở này, mang theo các thiết bị như máy dò sự sống, tìm kiếm người bị mắc kẹt và truyền tình hình tại chỗ cho lực lượng cứu hộ theo thời gian thực thông qua giao tiếp không dây, cải thiện đáng kể hiệu quả cứu hộ.

Robot leo trèo lấy cảm hứng từ sâu đom đóm sử dụng mô-đun uốn cong FiBa và mô-đun nắm bắt để đạt được khả năng leo thẳng đứng bằng cách mô phỏng chuyển động bò của sâu đom đóm. Mô-đun nắm bắt được quấn chặt quanh bề mặt leo trèo thông qua một quả bóng silicon được bơm căng để cung cấp đủ sự hỗ trợ. Đồng thời, mô-đun uốn cong FiBa điều khiển robot di chuyển dọc theo bề mặt leo trèo để đạt được khả năng leo trèo ổn định.

Trong lĩnh vực công nghiệp, robot leo trèo này có thể được sử dụng để kiểm tra và bảo trì đường ống thẳng đứng, cầu và tường ngoài của các tòa nhà cao tầng. Robot được trang bị camera độ nét cao, máy ảnh nhiệt hồng ngoại và các thiết bị khác để tiến hành kiểm tra chi tiết bề mặt của kết cấu, phát hiện kịp thời các mối nguy hiểm tiềm ẩn về an toàn và giảm thiểu rủi ro và chi phí kiểm tra thủ công. Robot leo trèo này cũng hoạt động tốt trong việc kiểm tra cơ sở hạ tầng như đường dây điện và tháp truyền thông. Nó có thể nhanh chóng leo lên dọc theo các cột tiện ích hoặc tháp truyền thông để kiểm tra các bộ cách điện đường dây, đầu nối thân tháp, v.v., cải thiện hiệu quả và độ chính xác của việc kiểm tra.

Robot đậu lấy cảm hứng từ loài dơi sử dụng các mô-đun FiBa để chế tạo một kẹp bốn ngón tay nhẹ mô phỏng cách dơi đậu ngược trên cành cây. Cấu trúc khí nén bên trong kẹp tạo ra lực kẹp mạnh sau khi bơm hơi, cho phép robot đậu ổn định trên các giá đỡ như cành cây và cột.

Về mặt ứng dụng, việc lắp đặt robot đậu này trên máy bay không người lái có thể kéo dài đáng kể thời gian bay của máy bay không người lái. Trong quá trình thực hiện nhiệm vụ, máy bay không người lái có thể đậu trên giá đỡ để tiết kiệm năng lượng và cất cánh trở lại khi nhiệm vụ tiếp tục, do đó giảm chi phí năng lượng và mở rộng phạm vi ứng dụng. Trong các hoạt động thực địa như thăm dò địa chất và khảo sát lâm nghiệp, robot đậu có thể được sử dụng làm nền tảng hỗ trợ tạm thời. Sau khi hoàn thành nhiệm vụ, máy bay không người lái có thể đậu gần đó để sạc hoặc chờ hướng dẫn tiếp theo, cải thiện hiệu quả hoạt động và an toàn.

Robot bay lấy cảm hứng từ bọ rùa sử dụng các mô-đun thanh độ cứng thay đổi FiBa làm thành phần cấu trúc chính của cánh. Các mô-đun này tạo ra đủ độ cứng và độ bền để hỗ trợ bay khi được bơm hơi và có thể dễ dàng gấp lại và cuộn lại khi không bơm hơi để dễ dàng vận chuyển và cất giữ. Robot cũng được trang bị thiết bị đẩy và hệ thống điều khiển để đạt được khả năng bay tự động và điều chỉnh tư thế. Trong các tình huống khẩn cấp như thiên tai, robot bay này có thể phản ứng nhanh chóng và chính xác để cung cấp các nhu yếu phẩm cần thiết khẩn cấp như thực phẩm và thuốc men cho khu vực thiên tai. Thiết kế cánh có thể gập lại cho phép robot chiếm một không gian nhỏ trong quá trình vận chuyển, tạo điều kiện triển khai trên quy mô lớn; trong khi khả năng bay tự động đảm bảo độ chính xác và kịp thời của việc cung cấp vật liệu. Trong lĩnh vực giám sát môi trường, robot bay có thể mang theo nhiều loại cảm biến và thiết bị để tiến hành giám sát toàn diện và thu thập dữ liệu về chất lượng không khí, chất lượng nước, v.v. Khả năng bay linh hoạt và phạm vi giám sát rộng cho phép robot nhanh chóng bao phủ các khu vực rộng lớn và cung cấp hỗ trợ dữ liệu chính xác. Ngoài ra, nó cũng có thể được sử dụng trong lĩnh vực nông nghiệp để giám sát sâu bệnh và đánh giá tình trạng tăng trưởng của cây trồng.

▍Kết luận và tương lai

Sự xuất hiện của bộ truyền động mềm FiBa đánh dấu một bước đột phá lớn trong công nghệ robot mềm. Thông qua việc lựa chọn vật liệu nhẹ và ứng dụng thiết kế mô-đun, bộ truyền động FiBa có đặc điểm nhẹ và đa chức năng. Thiết kế này không chỉ giải quyết vấn đề trọng lượng của robot mềm truyền thống mà còn có tính khái quát cực cao trong các tình huống thực tế. Trong tương lai, các nhà nghiên cứu sẽ tiếp tục tối ưu hóa thiết kế và các giải pháp kỹ thuật của bộ truyền động FiBa để cải thiện hiệu suất và độ tin cậy của nó. Ngoài ra, với sự phát triển của công nghệ điều khiển thông minh và điều hướng tự động, robot mềm FiBa dự kiến ​​sẽ hoạt động thông minh hơn trong tương lai.