Оригами Креслинга: роботизированная гусеница
Говоря о современной робототехнике, мы все чаще слышим словосочетание «мягкие роботы». Такие роботы обладают рядом преимуществ по сравнению со своими «жесткими» собратьями. Тем не менее и мягкие, и жесткие роботы сталкиваются с идентичными проблемами, одной из которых является навигация. Телодвижения, присущие различным представителям фауны, часто становятся источником вдохновения для инженеров. Вот и ученые из Принстонского университета (США) вдохновились подвижностью гусениц и древним искусством складывания бумаги, в результате чего им удалось создать мультимодульного робота, способного с легкостью преодолевать самые сложные лабиринты. Из чего сделан этот робот, как он показал себя во время практических испытаний, и в какой отрасли он может быть полезен? Ответы на эти вопросы мы найдем в докладе ученых.
Основа исследования
С каждым годом мягкая робототехника становится все более и более популярной. Мягкие роботы, в отличие от своих жестких собратьев, изготавливаются из гибких материалов (эластомеры, гели, ткани и т. д.), позволяющих им сгибаться, деформироваться и взаимодействовать с окружающей средой, как это делают многие биологические виды.
Имитируя гибкость и адаптируемость мягких тканей в биологических системах, мягкие роботы демонстрируют уникальные особенности. К ним можно отнести более широкий спектр движений, более бережное взаимодействие с предметами и способность адаптироваться к динамически меняющейся среде.
На данный момент существует множество исследований, нацеленных на разработку мягких роботов, однако многие из них сталкиваются с идентичными проблемами: двунаправленное движение (вперед/назад) и изменение угла движения (руление). Если обратиться к природе, то биологической системой, способной на вышеописанные типы движения, являются гусеницы. Механизмы передвижения большинства видов гусениц можно разделить на два типа — медленное движение (с множеством последовательных этапов) и ползание.
Недавно, вдохновленные механизмом медленного перемещения, ученые создали двунаправленного мягкого робота, использующего распределенное программируемое электротермическое приведение в действие. Другие ученые, взявшие за основу механизм ползания гусениц, создали мягкого робота на основе светочувствительного эластомера. Данный робот продемонстрировал возможность двунаправленного движения под лазерным лучом. Проблема в том, что оба эти робота лишены рулевого движения. Другими словами, какие-либо повороты и изменения угла движения им недоступны.
Управление передвижением представляет собой еще большую проблему для мягких роботов. Рулевой механизм мягкой робототехники можно разделить на два типа: жесткое рулевое управление и непрерывное рулевое управление. Ранее ученым уже удалось создать робота-гусеницу с телом, вдохновленным оригами. Этот робот был мягким, но механизм движения был жестким (каркасным). Жесткое рулевое управление позволяет совершать резкие повороты, но затрудняет работу в ограниченном пространстве, где вращение на месте может быть затруднено. Еще одним недостатком является метод управления механизмом движения — магнитное поле. Данные метод слишком сложен и затратен.
Несмотря на ограниченный успех вышеперечисленных исследований, в каждом из них есть нечто особенное и крайне важное для будущих работ. Модульные конструкции на основе оригами, известные своей способностью программировать режим локальной деформации в каждом модульном блоке, представляют собой потенциальное решение для осуществления локального управления сегментами мягкого робота. Чтобы имитировать многостепенную свободу гусеницы с мягким телом, предпочтительнее использовать нежесткие структуры оригами, поскольку они могут использовать локальную нелинейную деформацию для многопозиционного срабатывания.
Помимо самого тела робота важным является и метод приведения в действие его частей. Ранее уже описывались применения различных стимулов актуации: давление, тепло, электрическое поле, магнитное поле, химический потенциал и т. д. Биморфные термоприводы, в основе которых лежит несоответствие коэффициентов теплового расширения* (CTE от coefficient of thermal expansion) двух материалов, привлекли большое внимание благодаря программируемому управлению, небольшому весу, низкому напряжению срабатывания и возможности автономной работы (например, посредством беспроводной зарядки).
Коэффициент теплового расширения* — физическая величина, характеризующая относительное изменение объема или линейных размеров тела с увеличением температуры на 1 К при постоянном давлении.
В рассматриваемом нами сегодня труде ученые описывают разработанного ими мягкого цилиндрического робота-оригами (оригами Креслинга), имитирующего поведение гусеницы с несколькими степенями свободы.Пример оригами Креслинга.
Данный робот состоит из нескольких блоков Креслинга, каждый из которых является активным или пассивным. Активный блок включает в себя два электротермических биморфных привода, которые эффективно интегрированы в панели оригами для поддержания структурной целостности. Активный блок может деформироваться в двух режимах — осевой деформации и изгибе — путем управления токами, подаваемыми на два привода. В мягком роботе, состоящем из нескольких блоков Креслинга, каждый активный блок можно запрограммировать индивидуально для управления желаемой деформацией. С другой стороны, пассивные блоки усиливают кривизну изгиба, что еще больше повышает эффективность рулевого управления робота. Помимо помощи в передвижении, эти пассивные единицы могут выполнять и другие функции, например, транспортировку грузов.
Результаты исследования
Изображение №1
Гусеница Papilio zelicaon состоит из 12 сегментов тела с 3 парами грудных ног и 4 парами ложноножек (1A). Семь сегментов тела, отмеченных на 1B, демонстрируют режимы деформации сжатия и изгиба.
Чтобы имитировать режимы деформации, наблюдаемые на сегментах гусеницы, ученые спроектировали симметричный восьмиугольный блок Креслинга, состоящий из двух термобиморфных приводов, собранных на двух противоположных сторонах блока (1C). Восьмиугольная геометрия предпочтительнее, поскольку для ее раскрытия требуется меньше энергии по сравнению с шестиугольной и квадратной конструкциями. Геометрия оригами Креслинга определяется четырьмя независимыми параметрами: высотой в сложенном состоянии (H0), высотой в развернутом (исходном) состоянии (H1), количеством ребер многоугольника (n) и соответствующей длиной ребра (b).
Четыре геометрических параметра (H1, H0, n и b) должны удовлетворять следующему проектному ограничению, чтобы избежать стадии блокировки, когда складки впадины пересекаются в сложенном состоянии:
|(H1 / b)2 — (H0 / b)2| ≤ cot2(π/n)
На 1D показано моделирование агрегатов Креслинга, соединенных последовательно, имитирующих конфигурацию гусеницы на 1B. Соответствующие электрические токи через все 14 приводов в 7 блоках показаны на 1E. Например, когда оба привода блока [1] ([1]-1 расположены на внешней стороне изогнутого корпуса блока и [1]-2 на внутренней стороне) питаются одинаковым током, блок [1] показывает симметричное сокращение, подобное аксиальному сокращению сегмента 1 на 1B. Если же подаваемый ток на разные блоки подается по-разному, например, на блок [5], привод [5]-2 создает большую деформацию, чем привод [5]-1. Это приводит к деформации изгиба в направлении привода [5]-2. Угол изгиба (θ) определяется относительным углом между двумя восьмиугольными панелями. На 1F показан угол изгиба θ каждого блока Креслинга, извлеченный из 1D. Стоит отметить, что с увеличением потребляемого тока на обоих приводах сжатие сегмента Креслинга увеличивается. С увеличением разницы токов (ΔI) на двух приводах угол изгиба увеличивается.
Индивидуальное управление распределенными приводами мягкого робота позволяет осуществлять пространственное и временное программирование его деформации. Более того, на (вверху на 1G) показано, что энергия деформации, запасенная в блоке оригами для деформации изгиба, увеличивается с увеличением угла изгиба. Кроме того, два минимума энергии (по центру на 1G) подтверждают, что внутренняя конструкция оригами Креслинга имеет две кинематические стабильные конфигурации. Поскольку термобиморфные приводы полностью интегрированы в панели оригами, жесткость складывания (kr) увеличивается. Таким образом, блок Креслинга ведет себя моностабильно. Это подтверждается численным анализом (внизу на 1G), показывающим, что энергия деформации монотонно увеличивается с вертикальным смещением. Параметрическое исследование показывает, как жесткость (kr) влияет на моностабильное и бистабильное поведение соответственно.
Изображение №2
Чтобы добиться точного срабатывания блоков Креслинга, ученые разработали и изготовили термобиморфные приводы параллелограммной формы, повторяющие ту же форму, что и боковая панель шаблона Креслинга (схема выше). Серебряные нанопроволоки (AgNW от silver nanowires) были использованы в качестве нагревательного материала в мягком приводе из-за их превосходной электропроводности и механической податливости. AgNW были внедрены чуть ниже поверхности полиимидной (PI от polyimide) матрицы (2A-2D). AgNW (~30 мкм в длину и 100 нм в диаметре) имели форму перколяционной сетки, в то время как смола PI наносилась методом центрифугирования поверх сетки AgNW и отверждалась. Змеевидный рисунок нагрева был определен путем лазерной резки композитной пленки AgNW/PI на подложке.
Термический привод представляет собой биморфную структуру со слоем PI-пленки (с клейким покрытием) и слоем ленты жидкокристаллического эластомера (LCE от liquid crystal elastomer), ламинированной с двух сторон нагревателя AgNW/PI (2E). Лента LCE была изготовлена путем механического растяжения прямоугольной плоской ленты LCE, синтезированной двухэтапной полимеризацией. Плазменная обработка и механическое давление применялись для образования прочной связи между композитной пленкой AgNW/PI и лентой LCE.
Мезогенное расположение ленты LCE, уложенной перпендикулярно большей диагонали параллелограмма, гарантирует, что изгибающая деформация приводов может быть преобразована в складывание оригами Креслинга. Схема оригами Креслинга была сделана из куска листа полиэтилентерефталата (PET от polyethylene terephthalate), вырезанного лазером (2E). Две противоположные PET панели Креслинга были заменены термобиморфными приводами. Новый образец со встроенными приводами был собран с еще одной восьмиугольной торцевой панелью, чтобы сформировать трехмерный блок Креслинга (2F).
Чтобы свести к минимуму влияние на передвижение, ученые спроектировали полую цилиндрическую область в каждом блоке Креслинга так, чтобы провода, прикрепленные ко всем блокам, находились внутри полой структуры оригами и выходили из задней части робота. Таким образом, провода не мешают контакту между роботом и подложкой. Этот простой подход к интеграции привода значительно снижает вес оригинальной конструкции оригами, что приводит к созданию компактного и легкого робота.
Изображение №3
При подаче электрического тока на сеть AgNW в результате джоулева нагрева выделяется тепло и передается слою PI и слою LCE (3A). Снимки в инфракрасном спектре показывают равномерное повышение температура по всей змеевидной линии (ширина линии равна 1.3 мм). Поверхностное сопротивление композита AgNW/PI после отжига составило 0.55 Ом/кв, в результате чего общее сопротивление каждого привода составило 40.7 Ом. На 3B показаны характеристики нагрева композитного нагревателя AgNW/PI. С увеличением приложенного тока максимальная температура увеличивалась. При подаче тока 0.125 А (5 В) температура нагревателя повышалась от комнатной до 80 °C за 10 секунд. В последующих экспериментах приводы и роботы работали при постоянной комнатной температуре (23 °C).
Ленты LCE показали большую деформацию сжатия (~ 30%) в температурном диапазоне от 65 °C до 80 °C. Высокая эффективность нагрева AgNW/PI и низкая температура срабатывания LCE в совокупности обеспечили быстрое срабатывание термоприводов. Следует отметить, что в большинстве известных термобиморфных приводов используются два терморасширяющихся материала с разными CTE, при этом в приводе один слой расширяется, а другой сжимается. Этот противоположный тепловой отклик увеличивает амплитуду и скорость изгиба по сравнению с традиционными биморфными приводами.
Предыдущее исследование биморфных приводов PDMS/LCE предоставило подробный анализ характеристик изгиба с точки зрения соотношения модулей, соотношения толщины и температуры нагрева. На 3C показан угол сгиба боковой панели, который измеряется по линии сгиба, как это определено в оригами Креслинга (вставка на 3C). При приложенном токе 0.125 А эффективный угол сгиба достигал 120° за 12 секунд. Во время складывания и раскладывания сопротивление нагревателя AgNW полностью восстанавливается, что обеспечивает циклическую работу исполнительных механизмов. При дальнейшем увеличении тока угол изгиба может выйти за пределы 120°. Однако это может привести к расслоению между LCE и PI в биморфном приводе, потому в последующих опытах использовался ток 0.125 А для эффективной и стабильной работы приводов.
Видео №1
На 3D и 3E показаны снимки блока Креслинга в режиме осевого сжатия и в режиме изгиба (видео №1) соответственно. При одинаковом токе на обоих приводах боковые панели оригами Креслинга складываются симметрично вдоль заданных складок, вызывая совместное движение вращения и сжатия (без изгиба). Различные токи на обоих приводах приводят к изгибающему движению в сочетании с вращением и сжатием. Сжатие ((H1 — h)/H1) и угол поворота (α) определяются относительным расстоянием и поворотом верхней панели восьмиугольника относительно нижней панели. Угол изгиба (θ) определяется как угол между горизонтальным направлением и верхней восьмиугольной панелью. На 3F показано сокращение и вращение блока Креслинга при включении тока силой 0.125 А в течение 11 секунд с дальнейшим отключением. Было достигнуто максимальное изменение высоты 25% и угол поворота 22.4°. При охлаждении нагревателя и релаксации структуры блок Креслинга восстановился за 10 секунд. На 3G показаны минимальная относительная высота (слева), максимальный угол поворота (посередине) и максимальный угол изгиба (справа) в зависимости от приложенного тока (или разницы токов). При токе 0.125 А на одном приводе и 0 А на противоположном был достигнут максимальный угол изгиба 27.3°.
Изображение №4
У гусениц механизм ползания включает последовательную активацию и деактивацию нескольких сегментов тела, как показано на 4A. Волна циклического ползания обычно начинается с терминального сегмента и заканчивается на грудных ногах. Полный путь волны сокращения от хвоста к голове называется «ползанием». Чтобы продемонстрировать возможность имитации такого движения, ученые построили ползающего робота, состоящего из переплетенной серии из трех активных блоков Креслинга (каждый с двумя приводами, отмеченными желтым цветом) и четырех пассивных блоков (та же установка, но без приводов, отмеченных белым цветом).
Видео №2
На 4B схематически показан один цикл ползания с последовательной активацией блоков Креслинга 1, 2 и 3 (видео №2). Когда блок 1 активируется в режиме сжатия, сила трения, создаваемая крайним левым пассивным блоком, меньше, чем у остальной части робота. В результате хвост робота скользит вправо по земле. На следующем этапе блок 1 отключается и охлаждается, в то время как блок 2 активируется. На этом этапе блок 1 выдвигается до исходной длины, а блок 2 сжимается, в результате чего возникает сила, перемещающая пассивный блок между блоками 1 и 2 вправо без перемещения хвоста или головы мягкого робота. Поскольку нагрев и охлаждение нагревателя требуют примерно одинакового времени (~11 и ~10 секунд), деактивация блока 1 и активация блока 2 программируются плавно. На следующем этапе блок 2 деактивируется, а блок 3 активируется, повторяя схему поведения, но для следующего пассивного блока. На последнем этапе деактивация блока 3 подталкивает крайний правый пассивный блок вперед, завершая цикл ползания вперед.
Во время ползания трение является ключевым фактором, влияющим на передвижение робота. Условием движения является то, что выходная сила активных блоков больше силы трения:
Foutput ≥ μWpassive
где Foutput — выходная сила активного блока, Wpassive — сила тяжести одного пассивного блока, а μ — коэффициент трения между PET и материалом подложки.
Например, при приложенном токе 0/125 А, Foutput = 0/23 Н, Wpassive = 6/86 × 10−3 Н, критический коэффициент трения при передвижении μc = 33.5.
Стоит отметить, что сам мягкий робот представляет собой симметричную конструкцию без какого-либо предпочтения направления ползания. Единственным фактором, определяющим направление, является последовательность активации блоков 1, 2 и 3 (4C, снимки 1–5). При обратной последовательности активации (3, 2 и 1; 4C, снимки 6–8) мягкий робот может ползти назад в исходное положение.
На 4D показан запрограммированный ток, подаваемый на активные блоки. На 4E показано перемещение (перенос) твердого тела мягкого робота, завершающего цикл ползания вперед, за которым следует цикл ползания назад. Каждый цикл ползания вперед и назад занимает ~40 секунд, что соответствует средней скорости ползания 0.195 мм/с.
Изображение №5
Для мягких роботов управление направлением движения является непростой задачей. Чтобы перемещаться по сложным ветвям и листьям деревьев, гусеницы имеют чрезвычайно гибкие сегменты тела между грудными сегментами и ложными ногами, которые могут изгибаться в любом направлении. Ученым удалось запрограммировать своего робота на выполнение подобного движения.
Трем активным блокам робота были делегированы разные задачи: «рулевой» блок (блок 2; 5A), определяющий направление, и два «движущих» блока (блоки 1 и 3; 5A) для непосредственного продвижения вперед. На 5A и 5B показаны снимки сверху вниз и сбоку одного цикла рулевого движения (видео №3).
Видео №3
Цикл рулевого управления начинается с подачи разных токов на два привода в блоке 2. Изгиб блока 2 определяет начальную кривизну. Затем последовательно активируются блоки 1 и 3, оба в режиме сокращения. Как и при перистальтическом ползании, на третьем снимке хвост вытянут вперед. При отключении блока 1 и активации блока 3 блок 2 и два соседних пассивных блока движутся вперед по изогнутому направлению. Наконец, при отключении блока 3 голова делает один шаг вперед и поворачивается от исходного направления (5B).
Благодаря возможности локального изгиба мягкий робот может быть запрограммирован на движение по любой траектории в плоскости с соблюдением максимального предела кривизны. Например, робота можно запрограммировать на движение по S-образной траектории (5C и видео №4) или даже по веткам дерева (5D).
Видео №4
Ключом к программированию S-образной траектории является активный контроль и отслеживание кривизны движения в реальном времени. На 5E показана разность входных токов ΔI на двух приводах рулевого блока 2 во времени. На снимках 1, 3 и 3 от 0 до 400 с видно постепенное увеличение кривизны изгиба (от ρ1 = 25.8 см до ρ2 = 15.5 см) за счет увеличения ΔI (от 0.075 А до 0.125 А). Затем рулевой блок отключается на 400 секунд, чтобы завершить период прямолинейного движения (снимок 4). С 900 до 1200 секунды на рулевой блок 2 при обратном изгибе подается отрицательный ΔI с уменьшающейся величиной (от -0.125 до -0.075 А). Благодаря симметричной структуре Креслинга с двумя адресуемыми биморфными приводами вторая половина траектории (снимки 5–7) напоминает первую половину с отрицательной кривизной, завершающей S-образную форму. На 5F показан входной циклический ток на двух приводных устройствах 1 и 3 для S-образного передвижения.
Ученые отмечают, что модульные роботы состоят из множества взаимозаменяемых и настраиваемых модулей, каждый из которых повышает их общую функциональность. Внедряя модульную концепцию в мягких роботов, можно достичь универсальности, настраиваемости, масштабируемости и даже лучшей адаптации к окружающей среде. Блоки оригами Креслинга являются отличными модульными компонентами благодаря множеству режимов деформации и симметричной конструкции.
Изображение №6
Авторы исследования создали двухуровневую конструкцию модулей для роботов Креслинга: одноблочные модули и многоблочные модули (6A). Одноблочные модули можно разделить на два типа: активные блоки, оснащенные приводами, и пассивные блоки без приводов. Благодаря активным и пассивным блокам, соединенным через восьмиугольные панели сверху/снизу, можно сконструировать многоблочный модуль с четко обозначенными функциями. Если назвать модули, то 1 активный блок и 1 пассивный блок образуют модуль AP (active/passive). Аналогичным образом, 1 пассивный блок, 1 активный блок и 1 пассивный блок последовательно образуют модуль PAP (passive/active/passive).
Ученые создали робота, состоящего из модуля APA, который подхватывает грузовой модуль P, а затем объединяется с модулем PAP для получения функций рулевого управления (6B и видео №5).
Видео №5
Для начала модуль PAP находится на столе в режиме ожидания. Стоит отметить, что этот модуль имеет симметричную конфигурацию только с одним активным блоком в центре. Модуль PAP может быть активирован, но не может передвигаться, если не будет введена асимметричная конструкция «ножек». С другой стороны, модуль APA имеет два активных блока, которые можно активировать последовательно для перемещения вперед или назад. На первом этапе оба активных блока модуля APA служат движущими блоками для навигации вправо для приближения к грузовому модулю P (единственный пассивный блок). Когда два модуля находятся достаточно близко, противоположные восьмиугольные панели со встроенными магнитами притягиваются друг к другу и собираются в один (вставка на 6B). Новый модуль APAP теперь несет на хвосте грузовой модуль P.
Изменяя последовательность срабатывания двух активных блоков, модуль APAP может переключать направление движения и двигаться влево. Опять же, когда модуль APAP приближается к модулю PAP, они соединяются через встроенные магниты и становятся единым модулем PAPAPAP. По сравнению с модулем APA, модуль PAPAPAP способен не только передвигаться вперед и назад, но и изменять угол движения.
Следует отметить, что активный блок в центре, который первоначально служил приводным блоком, теперь перепрограммирует свою роль, направляя кривизну рулевого управления комбинированного модуля PAPAPAP для изгибной деформации.
Эту концепцию модульной конструкции можно расширить за счет увеличения количества блоков и последовательности активных и пассивных блоков, а также, возможно, трехмерной сборки с индивидуальными разъемами.
Для более детального ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых и дополнительные материалы к нему.
Эпилог
В рассмотренном нами сегодня труде, ученые, вдохновленные движением гусениц, создали робота-гусеницу, способного не только двигаться вперед и назад, но и успешно менять угол движения, дабы эффективно преодолевать препятствия или перемещаться по изогнутым коридорам. Не менее важную роль в разработке данного робота сыграло оригами Креслинга.
Важной особенностью данного мягкого робота является тот факт, что он состоит из отдельных модулей, соединенных магнитом. Каждый из этих модулей может быть индивидуально настроен для движения вперед/назад, поворота или быть использован для переноски груза.
Внутри модулей были использованы компоненты LCE (ленты жидкокристаллического эластомера) и PI (полиимидная матрица), которые образуют биморфную структуру термопривода, в которой находится деформируемый нагреватель, изготовленный из AgNW. Комбинация этих элементов обеспечивает возможность резкого и обратимого изменения изгиба модуля в ту или иную стороны.
Во время практических испытаний ученые создали робота, состоящего из семи модулей (3 активных и 4 пассивных). Этот робот мог имитировать ползающее движение гусеницы. Продолжительность одного цикла такого движения составила 40 секунд, т. е. скорость движения робота была около 0.195 мм/с. Путь, который должен был преодолеть робот, представлял собой S-образный коридор с постоянно меняющимся радиусом кривизны. Благодаря возможности индивидуально программировать каждый модуль, тем самым обеспечивая двунаправленное движение (вперед и назад) с желаемым изменение поворота, мобильность робота-гусеницы превышала таковую у других ползающих роботов. Однако, как признают ученые, скорость движения их робота пока еще мала, но ее можно увеличить за счет увеличения теплопроводности слоя LCE, уменьшения толщины биморфных приводов или введения механической нестабильности в конструкцию модулей.
Каждый модуль может быть запрограммирован выполнять ту или иную функцию, а возможность самосборки за счет магнитов расширяет спектр практического применения робота-гусеницы, от поисково-спасательных операций до сбора данных в труднодоступных для человека местах. Ученые намерены продолжить свою работу, направленную на совершенствование разработки, особенно скорости движения робота и его маневренности.
Немного рекламы
Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас, оформив заказ или порекомендовав знакомым, облачные VPS для разработчиков от $4.99, уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5–2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps от $19 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).
Dell R730xd в 2 раза дешевле в дата-центре Maincubes Tier IV в Амстердаме? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5–2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4×960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R420 — 2x E5–2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2×960GB SSD 1Gbps 100TB — от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5–2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?
