Roboter Caterpillar demonstriert neuen Fortbewegungsansatz für Soft Robotics

Mar 04, 2024

Forscher der North Carolina State University haben einen raupenähnlichen weichen Roboter demonstriert, der sich vorwärts und rückwärts bewegen und unter engen Räumen eintauchen kann. Die Bewegung des Raupenroboters wird durch ein neuartiges Muster aus silbernen Nanodrähten angetrieben, die mithilfe von Wärme die Biegung des Roboters steuern und es Benutzern ermöglichen, den Roboter in beide Richtungen zu steuern.

„Die Bewegung einer Raupe wird durch die lokale Krümmung ihres Körpers gesteuert – ihr Körper krümmt sich anders, wenn sie sich nach vorne zieht, als wenn sie sich nach hinten drückt“, sagt Yong Zhu, korrespondierender Autor einer Arbeit über die Arbeit und das Buch von Andrew A. Adams Angesehener Professor für Maschinenbau und Luft- und Raumfahrttechnik an der NC State. „Wir haben uns von der Biomechanik der Raupe inspirieren lassen, um diese lokale Krümmung nachzuahmen und Nanodrahtheizungen zu verwenden, um ähnliche Krümmungen und Bewegungen im Raupenroboter zu steuern.

„Die Entwicklung von Soft-Robotern, die sich in zwei verschiedene Richtungen bewegen können, ist eine große Herausforderung in der Soft-Robotik“, sagt Zhu. „Die eingebetteten Nanodraht-Heizungen ermöglichen es uns, die Bewegung des Roboters auf zwei Arten zu steuern. Wir können steuern, welche Abschnitte des Roboters sich biegen, indem wir das Erwärmungsmuster im Soft-Roboter steuern. Und wir können das Ausmaß der Biegung dieser Abschnitte steuern, indem wir die Menge der zugeführten Wärme steuern.“

Der Raupenbot besteht aus zwei Polymerschichten, die unterschiedlich auf Hitzeeinwirkung reagieren. Die untere Schicht schrumpft oder zieht sich zusammen, wenn sie Hitze ausgesetzt wird. Bei Hitzeeinwirkung dehnt sich die oberste Schicht aus. In die expandierende Polymerschicht ist ein Muster aus Silbernanodrähten eingebettet. Das Muster umfasst mehrere Leitungspunkte, an denen Forscher elektrischen Strom anlegen können. Die Forscher können steuern, welche Abschnitte des Nanodrahtmusters sich erwärmen, indem sie elektrischen Strom an verschiedene Anschlusspunkte anlegen, und sie können die Wärmemenge steuern, indem sie mehr oder weniger Strom anlegen.

„Wir haben gezeigt, dass der Raupenroboter in der Lage ist, sich vorwärts zu ziehen und nach hinten zu drängen“, sagt Shuang Wu, Erstautor der Arbeit und Postdoktorand an der NC State. „Im Allgemeinen gilt: Je mehr Strom wir anlegen, desto schneller bewegt sich der Strom in beide Richtungen. Wir fanden jedoch heraus, dass es einen optimalen Zyklus gab, der dem Polymer Zeit zum Abkühlen gab – wodurch sich der „Muskel“ effektiv entspannen konnte, bevor er sich wieder zusammenzog. Wenn wir versuchten, den Raupen-Bot zu schnell zu bewegen, hatte der Körper keine Zeit, sich zu „entspannen“, bevor er sich wieder zusammenzog, was seine Bewegung beeinträchtigte.“

Die Forscher zeigten auch, dass die Bewegung des Raupen-Bots so weit gesteuert werden konnte, dass Benutzer ihn unter einer sehr geringen Lücke hindurch steuern konnten – ähnlich wie man den Roboter anleitet, unter einer Tür hindurchzuschlüpfen. Im Wesentlichen konnten die Forscher sowohl die Vorwärts- als auch die Rückwärtsbewegung sowie die Höhe, nach der sich der Roboter zu jedem Zeitpunkt dieses Vorgangs nach oben beugte, steuern.

„Dieser Ansatz zum Antreiben von Bewegungen in einem Soft-Roboter ist äußerst energieeffizient, und wir sind daran interessiert, Wege zu erkunden, wie wir diesen Prozess noch effizienter gestalten können“, sagt Zhu. „Zu den weiteren nächsten Schritten gehört die Integration dieses Ansatzes zur sanften Fortbewegung von Robotern mit Sensoren oder anderen Technologien für den Einsatz in verschiedenen Anwendungen – etwa Such- und Rettungsgeräten.“

Der Artikel „Caterpillar-Inspired Soft Crawling Robot with Distributed Programmable Thermal Actuation“ wurde in der Open-Access-Zeitschrift Science Advances veröffentlicht. Der Artikel wurde von Jie Yin, einem außerordentlichen Professor für Maschinenbau und Luft- und Raumfahrttechnik an der NC State, mitverfasst; Yaoye Hong, ein Ph.D. Student an der NC State; und von Yao Zhao, einem Postdoktoranden an der NC State.

Die Arbeit wurde mit Unterstützung der National Science Foundation im Rahmen der Zuschüsse 2122841, 2005374 und 2126072 durchgeführt; und von den National Institutes of Health unter der Fördernummer 1R01HD108473.

-Schiffsmann-

Hinweis für Redakteure:Die Zusammenfassung der Studie folgt.

„Von Caterpillar inspirierter weicher Kriechroboter mit verteilter programmierbarer thermischer Betätigung“

Autoren: Shuang Wu, Yaoye Hong, Yao Zhao, Jie Yin und Yong Zhu, North Carolina State University

Veröffentlicht: 22. März, Science Advances

DOI: 10.1126/sciadv.adf8014

Abstrakt: Viele Inspirationen für Soft-Robotik stammen aus der Natur, beispielsweise von Kraken, Schlangen und Raupen. Hier berichten wir über einen von einer Raupe inspirierten, energieeffizienten Kriechroboter mit mehreren Kriechmodi, der durch Joule-Erwärmung einer strukturierten weichen Heizung bestehend aus Silber-Nanodrahtnetzwerken in einem thermischen bimorphen Aktuator auf Basis eines Flüssigkristallelastomers (LCE) ermöglicht wird. Mit gemusterten und verteilten Heizelementen und programmierbarer Heizung werden unterschiedliche Temperatur- und damit Krümmungsverteilungen erreicht, die eine bidirektionale Fortbewegung aufgrund der Reibungskonkurrenz zwischen Vorder- und Hinterende mit dem Boden ermöglichen. Das thermische bimorphe Verhalten wird untersucht, um die lokale Krümmung des Roboters unter thermischen Reizen vorherzusagen und zu optimieren. Die bidirektionalen Betätigungsmodi, die Kriechgeschwindigkeit und die Fähigkeit, Hindernisse mit begrenztem Abstand zu passieren, werden durch Experimente und Finite-Elemente-Analysen untersucht. Die Strategie der verteilten und programmierbaren Erwärmung und Betätigung mit thermisch reagierenden Materialien bietet neue Möglichkeiten für intelligente und multifunktionale Softroboter.