Robôs controlados por inquietação mostram o poder da metaestabilidade

O Fidget Poppers é um exemplo de “bistabilidade”, enquanto os círculos estourados descansam em um dos dois estados estáveis. Os pesquisadores da Universidade de Purdue levaram essa idéia ao seu extremo, construindo robôs que podem ser pré -programados e controlados usando apenas as propriedades físicas desses Poppers Fidget.

“A bistabilidade é um conceito importante encontrado na natureza”, disse Andres Arrieta, o professor de engenharia mecânica de Doug e Cathy Field. “Os ouvidos, por exemplo, têm asas dobráveis ​​e biestáveis ​​que se encaixam em um estado aberto com muito pouca energia. A linha de mosca Venus também fecha suas folhas usando mecanismos biestáveis. Estamos trabalhando para tornar as estruturas programáveis ​​inspiradas nessa bistabilidade”.

A equipe de Arrieta explorou muitos usos para essa bistabilidade, desde móveis de mudança de forma a asas de aeronaves transformadas. Mas eles se concentraram em um mecanismo em particular: o Fidget Popper. Esse metamaterial estranhamente satisfatório tem o potencial de armazenar energia, realizar trabalho e atuar como um computador mecânico. A equipe de Arrieta chegou a construir uma folha de inquietação de tamanho gigante para demonstrar o conceito a novos alunos.

Mas para aproveitar ao máximo seu poder, você precisa aproveitá -los e controlá -los. “Ao unir várias dessas cúpulas, podemos criar robôs suaves como garra e caminhantes”, disse Juan Osorio (Ph.D.), agora pesquisador de pós -doutorado no laboratório de Arrieta.

“Podemos especificar a distância para o estado estável de cada cúpula, para que possamos prever com precisão qual será a curvatura do braço final da garra, dependendo de quantas das cúpulas que atuamos”.

As “cúpulas” são feitas de poliuretano termoplástico impresso em 3D, um material elástico. Ao especificar o material, Osorio pode discar exatamente o quão longe as cúpulas se destacam quando atuadas com ar comprimido.

A impressão 3D das cúpulas também permite “metaestabilidade”, que é o molho secreto desta nova geração de robôs macios.

“As cúpulas metaestáveis ​​são bastante interessantes”, disse ele. “Quando pressionamos essas cúpulas, elas permanecem estáveis ​​por um breve período de tempo, mas depois recuamos automaticamente. Isso nos permite programar uma resposta dependente do tempo em nossos sistemas usando a geometria dessas cúpulas metaestáveis”.

Sua pesquisa sobre esses novos sistemas de controle foi publicada em Ciência Avançada.

Osorio e sua equipe construíram dois tipos de robôs suaves para demonstrar: uma garra e um andador. Com a garra, Osorio usou a previsibilidade das cúpulas biestáveis ​​para permitir um método sem computador para detectar e classificar o tamanho e o peso dos objetos.

“O robô tenta elevar o objeto com apenas um conjunto de cúpulas acionadas”, disse Osorio. “Se não pode agarrá -lo, atua o segundo conjunto, e assim por diante. Porque sabemos as dimensões exatas da abertura quando atuadas, podemos determinar o tamanho do objeto usando apenas a geometria das cúpulas. Então as cúpulas metaestáveis ​​voltam a voltar após um período definido, fazendo com que a garra de lado o objeto”.

O robô Walker é um pouco mais complexo, com uma mistura de cúpulas metaestáveis ​​e biestáveis ​​em diferentes ângulos. Ao colocá -los em uma certa ordem e atuá -los, o robô pode avançar ou virar à esquerda e à direita.

“Não estamos enviando comandos diferentes através de um computador; tudo isso é pré -programado nas pernas do robô usando apenas a geometria da estrutura”, disse Osorio. “A metaestabilidade nos dá uma autoridade de controle que não poderíamos ter usando apenas a bistabilidade sozinha”.

Também oferece robustez. Osorio testou a tolerância a danos dos braços da garra esfaqueando as cúpulas com inúmeras agulhas, degradando severamente o sistema de atuação da pressão do ar. No entanto, devido às propriedades físicas das cúpulas, os braços da garra continuaram a funcionar e manter sua forma.

O objetivo final desta pesquisa é criar robôs que possam funcionar sem a necessidade de computadores, baterias, sensores ou outros auxílios eletrônicos.

“Queremos construir robôs que possam funcionar em ambientes difíceis”, afirmou Osorio. “É difícil confiar em eletrônicos em um ambiente como espaço, ou um reator nuclear ou no fundo do oceano. Sistemas físicos como nossos robôs metaestáveis ​​podem ser uma ótima alternativa para executar tarefas em ambientes difíceis”.