0

Привод мягких роботов: ловкий и сильный

По сравнению с обычными жесткими роботами с тяжелыми металлами и привязными моторами, мягкие роботы, изготовленные из мягких материалов, демонстрируют многообещающую работу, подобно интеллектуальным биологическим организмам, поскольку они обладают большей степенью свободы, чтобы быть ловкими и приспосабливающимися к изменениям окружающей среды. Однако их мягкость также может быть проблематичной, когда дело доходит до сложных деформаций формы или тяжелой работы.

Для точного и локального контроля формы и передвижения мягких роботов со значительной деформацией и силой требуются исполнительные механизмы, которые очень отзывчивы и прочны.

Среди различных мягких и чувствительных материалов жидкокристаллические эластомеры (LCE) демонстрируют собственную анизотропию и обратимую деформацию формы во время фазовых переходов при воздействии внешних раздражителей, включая тепло и свет, которые очень желательны для исполнительных механизмов. Управляя молекулярным выравниванием молекул жидкого кристалла внутри сети, можно запрограммировать передвижение LCE. Тем не менее, пространственный контроль выравнивания обычно требует многоэтапного изготовления и ограничивает размеры приводов. Как и эластомеры, большинству приводов LCE также не хватает желаемой механической прочности для создания большого объема работы.

Вдохновленный костно-мышечной системы у человека и других животных, наша команда во главе с профессором Шу Ян в Университете Пенсильвании недавно разработал метод экструзии на основе для изготовления приводов накаливания LCE метровых.






Для повышения механической прочности нити в эластомеры добавляли до 2 мас.% Углеродных нанотрубок, которые известны своей сверхвысокой прочностью, малой массой и высокой электрической и теплопроводностью. Кроме того, небольшое количество нанокристаллов целлюлозы, уникального типа наноматериала, полученного из волокон растительной целлюлозы, было смешано для улучшения выравнивания молекул жидкого кристалла внутри нити, что существенно для достижения анизотропных и обратимых механических реакций.

Способность углеродных нанотрубок поглощать ближний инфракрасный свет и выделять тепло может вызвать фазовый переход в LCE, что приводит к срабатыванию нити на свету. Комбинируя медные провода с нитью, передавая электрический ток для нагрева, гибридная нить LCE также является электротермически чувствительной.

Следовательно, привод нити накаливания имеет двойную чувствительность и может быстро и обратимо приводиться в действие путем подачи либо ближнего инфракрасного света, либо небольшого напряжения (8 В), как показано на рисунке ниже.

Схематическое изображение активаций, реагирующих на ближний инфракрасный свет (левая панель) и электротермических реакций (правая панель), с использованием жидкокристаллических эластомерных нитей, легированных углеродными нанотрубками.

Нить может быть помещена в произвольные структуры или интегрирована в робототехнику системного уровня для различных типов передвижения. Максимальная работоспособность (способность исполнительных механизмов выполнять механическую работу) составляет 38 Дж на килограмм — значение, сопоставимое со значением скелетных мышц у млекопитающих.

«Наш гибридный дизайн из нити LCE позволяет мягким роботам поднимать тяжелые предметы, не уменьшая их ловкость. Сила, создаваемая во время приведения в действие, является одним из самых высоких значений в современных мягких приводах », — сказал Ючонг Гао, ведущий автор статьи. «Мышечная форма нити, обеспечивающая еще большую степень свободы по сравнению с традиционными пленочными приводами, также идеально подходит для интеграции в различные типы мягких интеллектуальных роботизированных систем».

Добавить комментарий