Pesquisadores desenvolvem estruturas biestáveis ​​ultra-ajustáveis ​​para aplicações robóticas universais

Estruturas biestáveis ​​na natureza são incomparáveis ​​por sua resposta rápida e amplificação de força, mesmo com o menor estímulo físico. Aproveitar a biestabilidade e a instabilidade para liberar rapidamente a energia armazenada em estruturas biestáveis ​​pode melhorar o desempenho do robô em várias áreas, por exemplo, locomoção em alta velocidade, detecção adaptativa e preensão rápida.

No entanto, os trabalhos atuais sobre estruturas biestáveis ​​se concentram principalmente em seus estados estáveis, enquanto os estados intermediários com uma grande variedade de barreiras de energia sintonizáveis ​​estão ausentes dos estudos atuais.

Recentemente, uma equipe de pesquisa liderada pelo Dr. Li Yingtian do Instituto de Tecnologia Avançada de Shenzhen (SIAT) da Academia Chinesa de Ciências propôs um tipo de estrutura biestável ultra-ajustável com barreiras de energia programáveis ​​e forças de disparo de ordens de magnitude diferentes. As estruturas também podem ser personalizadas com configurações geométricas variadas, dimensões, materiais e métodos de atuação para várias aplicações robóticas.

Esta obra foi publicada em Células Relatórios Ciências Físicas em 18 de abril.

A estrutura biestável relatada foi fabricada dobrando um material de folha para um padrão de vinco específico. Possui um estado estável, um estado metaestável e enormes estados intermediários. Quando a estrutura biestável transita de seu estado metaestável para o estado estável, existe um ponto crítico onde a energia de deformação armazenada atinge seu valor máximo e o rápido snap-through começa.

Neste trabalho, foram relatados os enormes estados intermediários com barreiras de energia programáveis ​​antes que a estrutura biestável atinja seu ponto crítico.

Ao remodelar a estrutura do estado metaestável para qualquer estado intermediário, a barreira de energia diminui, o que significa que estímulos externos menores são necessários para desencadear o rápido snap-through das estruturas biestáveis. À medida que a barreira de energia diminui, a estimulação externa necessária torna-se cada vez mais delicada. Foi assim que os pesquisadores alcançaram uma grande variedade de forças de gatilho ajustáveis ​​para a estrutura biestável controlável proposta.

Para demonstrar a capacidade de ajuste da estrutura proposta, os pesquisadores realizaram uma série de experimentos e ilustraram que a força de disparo de uma única estrutura pode ser ajustada para 0,1% de seu valor máximo, enquanto a diferença de peso levantada foi 107 vezes maior usando garras fabricadas pela as estruturas propostas com diferentes parâmetros de projeto.

“Podemos ajustar a estrutura para um estado ultrassensível para que ela responda a uma estimulação minuciosa tão suave quanto o toque de uma abelha voando, enquanto também podemos definir a estrutura para um estado insensível que até mesmo uma bola roubada pesando 110g poderia não quebrar sua barreira de energia”, disse o Dr. LI.

Para validar as potencialidades da estrutura em diversas aplicações, vários protótipos foram desenvolvidos, incluindo um flytrap robótico, pinças, um jumper, um nadador, um interruptor térmico e um sistema de triagem. Os protótipos demonstram que o flytrap robótico com um “pistilo” sensível pode ser acionado por estimulação física em 10 ms; o receptor biestável pode capturar uma bola de tênis de mesa em alta velocidade (10 m/s); e o saltador mínimo atinge uma altura superior a 24 vezes a altura do corpo, etc.

“Estamos felizes em descobrir que nossa estrutura proposta pode ser usada em uma ampla gama de aplicações, o que demonstra desempenhos superiores”, disse o Dr. Li. “Este trabalho pode ampliar as fronteiras do design de estruturas biestáveis ​​e abrir caminho para projetos futuros em robótica, engenharia biomédica, arquitetura e arte cinética”.