Чтобы устранить это препятствие, исследовательская группа под руководством профессора Джиюна Кима (факультет новых материалов UNIST) и профессора Чонбума Бэй (факультет машиностроения UNIST) разработала революционную технологию «мягких клапанов» — комплексное решение, которое объединяет датчики и регулирующие клапаны, сохраняя при этом полную мягкость.
Традиционно мягкие тела роботов сосуществовали с жесткими электронными компонентами для целей восприятия. Исследование, проведенное этой исследовательской группой, предлагает новый подход к преодолению этого ограничения путем создания мягких аналогов датчиков и регулирующих клапанов, работающих без электричества. Получившаяся в результате деталь в форме трубки выполняет двойную функцию: обнаруживает внешние раздражители и точно контролирует движение автомобиля, используя только давление воздуха.
Эксплуатационные фотографии мягкого привода, управляемого СТВ, при деформации растяжения ε = 0 (i) и ε = εmax (ii). Врезки: изображения СТВ крупным планом. Масштабные линейки = 5 см.
Устраняя необходимость в компонентах, зависящих от электричества, эти полностью мягкие клапаны обеспечивают безопасную работу под водой или в средах, где искры могут представлять опасность, одновременно снижая весовую нагрузку на роботизированные системы. Более того, каждый компонент стоит недорого — примерно 800 вон.
Предыдущие мягкие роботы имели гибкие тела, но в них использовались жесткие электронные компоненты для датчиков обнаружения стимулов и блоков управления приводом. Наше исследование сосредоточено на изготовлении датчиков и деталей управления приводом из мягких материалов
— Джиюна Ким.
Исследовательская группа продемонстрировала различные приложения, использующие эту революционную технологию. Они создали универсальные щипцы, способные деликатно брать хрупкие предметы, такие как картофельные чипсы, предотвращая поломку, вызванную чрезмерным усилием, оказываемым обычными жесткими руками робота.
Фотографии мягкого захвата, держащего сосновую шишку рядом со сварочной дугой (которая может воздействовать на электронные схемы электромагнитными помехами), и (a-ii) кораллового рифа под водой. (б) Обзор мягкого экзокостюма. Фотография мягкого экзокостюма на пользователе (i) и детали мягкого экзокостюма (ii). СТВ (n = 2, p = 10 мм, L0 = 80 мм) подключается в инверсном режиме, при котором создаваемое нормированное давление в камере Pch/Ps является убывающей функцией нормированной деформации ε/εmax (iii).
Кроме того, они успешно использовали эти полностью мягкие компоненты для разработки носимых роботов, поддерживающих локти, предназначенных для уменьшения мышечной нагрузки, вызванной повторяющимися задачами или напряженными действиями, связанными с движениями рук. Поддержка локтя автоматически регулируется в зависимости от угла, под которым согнута рука человека. Это прорыв, способствующий снижению в среднем на 63 % силы, оказываемой на локоть при ношении робота.
Мягкий клапан работает за счет использования потока воздуха внутри трубчатой конструкции. Когда к одному концу трубки прикладывается натяжение, спирально намотанная внутри нить сжимает его, контролируя приток и отток воздуха. Это движение, подобное аккордеону, позволяет выполнять точные и гибкие движения, не полагаясь на электроэнергию.
Кроме того, исследовательская группа подтвердила, что, программируя различные структуры или количество нитей внутри трубки, они могут точно контролировать изменения воздушного потока. Такая программируемость позволяет осуществлять индивидуальную настройку в соответствии с конкретными ситуациями и требованиями, обеспечивая гибкость реакции привода даже при постоянных внешних силах, приложенных к концу трубки.
Недавно разработанные компоненты можно легко использовать, используя только программирование материалов, исключая электронные устройства. Этот прорыв внесет значительный вклад в развитие различных носимых систем
— Чонбума Бэй.
Революционная технология мягких клапанов знаменует собой значительный шаг на пути к полностью мягким, свободным от электроники роботам, способным работать автономно, — важнейшей вехой на пути повышения безопасности и адаптируемости во многих отраслях.
Результаты исследования были опубликованы в журнале Nature Communications.
