软机器人,用于所有的软性机器人

软机器人不能总是与硬机器人竞争。他们呆板的兄弟们控制着生产线,表演后空翻,随着“Uptown Funk”舞蹈,飞行,潜水,穿越火山。

但每年,软机器人都会获得新的能力。它们学会了跳跃、扭动和抓握。他们可以在不碰伤番茄的情况下处理番茄,在被汽车碾压后毫发无损,还可以穿越辐射、灾区和外层空间,所有这些都不需要面对比他们更困难的同行所面临的挑战。对于人和动物来说,它们有一种“合作功能”:柔软的触感。

最近,伍德福德大学(Woodford L.)教授乔治·m·怀特赛德斯(George M. Whitesides)和安·a·弗劳尔斯大学(Ann a . Flowers University)教授的实验室里的研究人员发明了一种软替代品,替代制造机器人所需的最后一块硬部件。压缩空气不是电力和电线,而是膨胀和收缩橡胶充气装置来产生运动,软阀取代了硬阀,软数字逻辑复制了电子计算机的相同功能。

现在,博士后学者丹尼尔·j·普雷斯顿的最新发明给这些机器人带来了新的、复杂的运动。作为上月发表在《科学机器人》(Science Robotics)杂志上的一项研究的第一作者,他介绍了第一个软环形振荡器,该振荡器使这些机器能够滚动、波动、分类、测量液体和吞咽。

普雷斯顿说:“这是工具箱里的另一个工具,可以让这些智能、软性机器人不需要任何电子设备,也不需要任何硬阀门。”

迄今为止,环形振荡器是由电子晶体管或微流体制成的。电子产品总是需要硬元件。大多数微流体也是如此。许多人在他们的加压水或空气系统中使用玻璃。普雷斯顿的大型气动环形振荡器依赖于逆变器和空气。他们操纵机器人胶管中的气压:如果输入是高压,输出将是低压,反之亦然。当一个环中连接三个或其他奇数个门时,其中一个门的移动触发下一个门,下一个门也触发下一个门,以此类推。

普雷斯顿说:“当你把奇数个这样的逆变器组合在一个回路中时,你会得到一个很酷的反应,那就是不稳定在回路中传播。”他把它比作一个为了从一段楼梯上跳下来而崩溃的弹簧,创造了一个不需要再推的恒定步伐。

为了测试软环振荡器能做什么,普雷斯顿和他的团队创造了五个原型。每一个都使用一个单一的,恒定的空气压力源运行三个气动执行器(逆变器)。

其中一个原型用力推球使其绕着圆环运动。另一种则是在舞台上进行波浪形,让两种不同大小的珠子在舞台边缘滚动。最后,所有的小珠子都从舞台一侧的一个洞里掉了出来。他们自己解决问题。

普雷斯顿说:“环形振荡器非常适用于滚动运动。滚动需要及时协调多个动作。单一的输入和输出是不够的。例如,为了让他们的六角形泡沫机器人向前滚动,环形振荡器帮助机器人后面的气球充气,同时让前面的气球放气。当气球以完美的同步方式膨胀和收缩时,协调的推和放将六边形一次又一次地向前移动。

另一个原型提供了一个更具体的目的。一个以织物为基础的袖子,包裹在小腿上,用尼龙搭扣固定,施加协调的压力,“泵”液体到小腿上。根据最近的研究,这种泵送运动比单纯的压迫更能改善淋巴水肿和慢性静脉疾病的症状。该设备还可以帮助护士、服务员和警察预防深静脉血栓形成,深静脉血栓是疲劳的双脚长时间轮班工作的结果。

在开始袖子的临床试验之前,研究小组想要评估人们的兴趣。如果有足够多的人渴望一种更柔和、更便宜的方法来缓解和预防症状,那么该产品可能会找到一个足够大的市场,值得进一步研究。

普雷斯顿公司生产的橡胶类有机硅弹性体材料成本低廉,使其不仅适用于廉价的家庭护理。生物兼容的、一次性的、温和的、无菌的版本可以用于实验室实验、药物递送,甚至是由哈佛大学和波士顿儿童医院的研究人员开发的、可以帮助心脏跳动的袖状体内医疗设备。普雷斯顿的最终原型可以根据预定的顺序和时间对三种不同颜色的液体进行分类,这一工具可能对化学家很有用。

普雷斯顿预计,他的创新将带来比他在五个原型中演示的应用多得多的应用。由于论文解释了如何复制和定制设计,他希望其他实验室能找到更多的用途。“人们可以将软环振荡器应用于许多不同的软机器人领域,其中一些我们可能还没有想到或设想过。”

该研究由材料科学和工程部基础能源科学办公室(能源部)资助(ER45852);国家科学基金(IIS-11317744),国家科学基金会MRSEC (DMR-1420570);哈佛大学流动计划;美国国防部、国防科学与工程研究生奖学金项目;国家珠宝奖学金。

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