Roboti ve tvaru origami nepotřebují motor ani převodovku
Foto: Ilustrační_ennelise/PxabayDíky schopnosti měnit tvar a manipulovat s jemnými předměty by mohli fungovat jako implantáty, doručovat léky v těle a pomáhat při průzkumu nebezpečného prostředí.
Měkké stroje jsou často omezené pevnými mechanickými částmi, externími systémy, které jim dodávají energii, nebo jim pomáhají s pohybem. Inženýři z Princetonu navrhli a postavili hybridní roboty s měkkými a pevnými prvky, které se pohybují a posouvají bez nutnosti motorů nebo externího pneumatického ovládání.
Za tímto účelem vědci zkombinoval polymer, nazývaný elastomer z tekutých krystalů, s flexibilní elektronikou a technikami skládání založenými na umění origami, který se dá tisknout pomocí 3D tiskárny. Vytvořili rekonfigurovatelného měkkého robota, který se dokáže opakovaně pohybovat bez znatelného opotřebení.
K demonstraci vědci postavili robota ve tvaru jeřába, klasické origami figurky, který mává křídly. Zdrojem energie je elektřina. Origami se pohybuje bez motoru. Pohyb robota se místo toho spoléhá na cílené zahřívání v polymeru, které řídí mávání křídel. Experiment také ukázal, že měkký robot se dokáže přesně a opakovaně pohybovat a vracet se do původního tvaru bez opotřebení nebo deformace pomocí programovatelných sekvencí v reálném čase, což je jeho klíčová vlastnost, který bude potřebná pro budoucí aplikace.
Konstrukce se speciálním polymerem pomocí 3D tisku
Systém se spoléhá na roztavený polymer vytištěný do vzorovaných zón. K tomu bylo zapotřebí upravit 3D tiskárnu. Navzdory své flexibilní povaze je použitý polymer vysokoelastický, ale z tekutých krystalů, což znamená, že jeho vnitřní molekuly mají uspořádanou strukturu.
Vědci se specializují na řízení struktury elastomerů z tekutých krystalů prostřednictvím molekulárního designu a řízení nanostruktury (v tomto případě orientace) polymerů prostřednictvím tisku, což bylo pro tento projekt klíčové.
Vědci naprogramovali tiskárnu tak, aby během tisku měnila vnitřní orientaci molekulární struktury polymeru. Každá ze vzorovaných zón v potištěném materiálu se vyznačuje konzistentním molekulárním uspořádáním. Stohováním těchto zón a jejich spojováním různými způsoby byli vědci schopni vytvořit v materiálu panty, které se při zahřívání materiálu ohýbají předem naprogramovaným způsobem.
V rámci tisku vědci také přidali flexibilní elektroniku přímo do pantů v materiálu. Flexibilní struktura desek plošných spojů umožnila vědcům zabudovat je přímo do tiskového materiálu, namísto nanášení obvodů v samostatném kroku. To zjednodušuje výrobu a umožňuje větší konzistenci a funkční integraci obvodu do robota.
Pohyb je poháněný deskami plošných spojů, který řídí ohřev
Po zabudování umožňují tyto desky plošných spojů ohřívat extrémně specifické oblasti polymerní struktury a provádět řízení v uzavřené smyčce pomocí zabudovaných teplotních senzorů. Tento ohřev se využívá u pečlivě strukturovaného polymeru a způsobuje smršťování materiálu způsobem, který inženýři naprogramovali do polymerního tisku. Toto smršťování spouští ohýbání podél pantů.
Aby se zajistilo, že se materiál ohýbá pouze v oblasti pantů, přidali vědci k flexibilním deskám plošných spojů mezi polymerní panty lehké panely ze skelných vláken.
Vědci k řízení pohybu robotů použili matematický vzorec odvozený ze vzorů origami. Základ tvoří systémy skládání a rozkládání.
Práce začala jako bakalářský projekt Davida Bershadského z Princetonu. Mezi nedávné projekty patří segmentovaní měkcí roboti, kteří používají systémy origami k navigaci po složitých drahách, roboti, kteří dokáží transformovat své tvary a adaptivně se rekonfigurovat v magnetickém poli, a programovatelné systémy, které dokážou šifrovat informace a fungovat jako mechanické počítače.
Zdroj: Princetonská univerzita; https://www.eurekalert.org/news-releases/1123376; Pokročilé funkční materiály DOI10.1002/adfm.202525150