Forscher der Virginia Tech (Polytechnic Institute und Virginia State University) in Blacksburg haben einen Roboter geschaffen, der in der Lage ist, sich zu verwandeln und dann seine ursprüngliche Morphologie wieder aufzunehmen. Sie ließen sich von der Kirigami-Kunst inspirieren, um ihre Architektur zu entwerfen, und verwendeten Gummi, da sie für diesen innovativen Ansatz eine Metalllegierung mit niedrigem Schmelzpunkt einarbeiteten. Sie veröffentlichten letzten Monat ihre Studie „The Formation of Transformational Mechanomechanical Materials Through Inverse Plasticity“ in Robotics.
Dank der Entwicklung neuer weicher Materialien wie Silikon und dem Aufkommen von 3D-Druckern hat sich in den letzten zehn Jahren die Soft-Robotik entwickelt. Forscher auf diesem Gebiet lassen sich oft von der Natur, den Rüsseln von Elefanten, Weichtieren oder Pflanzen inspirieren. Im Jahr 2016 entwickelte ein Team der Harvard University den ersten vollständig weichen Roboter namens „Octobot“, der die Form eines Oktopus annimmt. Es besteht aus Silikon aus einem 3D-Drucker und verwendet Gasdruck, um seine Tentakel zu schrumpfen. Das Virginia Tech-Team unter der Leitung des außerordentlichen Professors für Maschinenbau Michael Bartlett, dem auch die Doktoranden Dohgyu Hwang und Edward J. Barron III sowie der ABM-Postdoktorand Tahidul Haque angehören, hat einen innovativen Ansatz gewählt, um die Form in der Ebene der verwendeten Materialien zu ändern . Michael Bartlett erklärt:
“Als wir mit dem Projekt begannen, wollten wir ein Material haben, das drei Dinge tun kann: die Form ändern, diese Form beibehalten, dann zur ursprünglichen Konfiguration zurückkehren und dies über mehrere Zyklen tun. Eine der Herausforderungen war die Erstellung eines Materials Das war flexibel genug, um die Form radikal zu ändern, aber dennoch solide genug, um anpassungsfähige Maschinen zu schaffen, die verschiedene Funktionen ausführen können.“
Kirigami-inspirierte Transformation
Manchmal ist die Entwicklung von Robotern vom Origami-Falten inspiriert, und diese Technik wird auch in der Soft-Robotik verwendet, beispielsweise beim Entwurf künstlicher Muskeln für das Harvard- und MIT-Team im Jahr 2017. Das Team von Michael Bartlett interessiert sich für Kirigami, die Kunst, neue Formen zu schaffen Papier schneiden, um eine Struktur zu entwerfen, die transformiert werden kann.
innovatives Material
Sie mussten dann ein Material entwickeln, das transformiert werden konnte, aber bei Bedarf auch wieder in seine ursprüngliche Form zurückverwandelt werden konnte. Dazu fügten sie eine innere Struktur aus einer Legierung mit niedrigem Schmelzpunkt (LMPA) in eine Gummihaut ein. Wenn Metall zu stark gedehnt wird, verbiegt sich das Metall normalerweise dauerhaft, reißt oder dehnt sich in eine stabile, unbrauchbare Form aus. Dank dieser Legierung behält dieses Material jedoch, wenn es gedehnt wird, schnell die gewünschte Form.
Um die Struktur wieder in ihre ursprüngliche Form zu bringen, integrierte das Team flexible rankenförmige Heizkörper neben einem LMPA-Gitter, das bewirkt, dass sich das Metall bei 60 Grad Celsius (140 Grad Fahrenheit) oder 10 % der Schmelztemperatur des Aluminiums in eine Flüssigkeit verwandelt. Die flexible Haut hält das geschmolzene Metall an Ort und Stelle, bringt das Material dann in seine ursprüngliche Form zurück, kehrt die Dehnung um und verleiht der Verbindung das, was Forscher “umgekehrte Plastizität” nennen. Nach dem Abkühlen hilft das Metall wieder, die Form der Struktur beizubehalten. Dojio Hwang erklärt:
“Diese Verbundwerkstoffe haben eine metallische Innenstruktur, die in Gummi mit flexiblen Heizelementen eingebettet ist, wo die Kirigami-inspirierten Teile ein Netz aus Metallträgern definieren. Diese Teile zusammen mit den einzigartigen Eigenschaften der Materialien waren wirklich wichtig, um sich schnell zu verwandeln und Form zu bekommen zurück in die ursprüngliche form. »
Forscher haben herausgefunden, dass dieses von Kirigami inspirierte Verbunddesign komplizierte Formen erzeugen kann, von Zylindern über Kugeln bis hin zu holprigen Formen. Auch die Form lässt sich schnell ändern: Nach dem Auftreffen auf eine Kugel ändert sich die Form und ist in weniger als 1/10 Sekunde fixiert. Wenn das Material gebrochen ist, kann es außerdem mehrmals repariert werden, indem die innere Metallstruktur geschmolzen und repariert wird.
Ein weicher Roboter für Land, Luft und ein anderer für das Meer
Das Team beginnt gerade erst mit der Entwicklung von Anwendungen für diese neue Technologie. Durch die Integration dieser Materialien mit den Antriebs-, Steuerungs- und Bordmotoren habe ich erfolgreich eine funktionsfähige Drohne geschaffen, die sich unabhängig von einem Bodenfahrzeug in ein Luftfahrzeug und auch in ein kleines, einsetzbares U-Boot verwandelt, wobei Modulationsmaterialien und zurück verwendet werden, um Gegenstände aus dem zu holen Aquarium, indem Sie den Bauch des U-Boots entlang des Bodens kratzen. Edward J. Barron kommt zu dem Schluss, dass:
“Wir sind begeistert von den Möglichkeiten, die dieses Material für multifunktionale Robotik bietet. Diese Fahrzeuge sind robust genug, um den Kräften von Motoren oder Antriebssystemen standzuhalten, können sich aber leicht verändern, sodass sich Maschinen an ihre Umgebung anpassen können.”
Die Forscher glauben, dass die Fahrzeugumwandlung in Zukunft eine wichtige Rolle im Bereich der Softrobotik spielen und es ermöglichen wird, multifunktionale Maschinen zu schaffen, die in der Lage sind, sich nach einer Beschädigung selbst zu reparieren.