Основной проблемой в данной области, известной как «мягкая робототехника», имеется отсутствие аккуратных механизмов или «неестественных мышц», каковые имели возможность бы воспроизвести универсальность и производительность настоящих вещей. Но исследовательская пара Кеплингера в Колледже прикладных инженерии и наук создала новый класс мягких электрически активируемых устройств, гениальных имитировать расширение и сокращение естественных мышц. Эти устройства, каковые смогут быть изготовлены из многих недорогих материалов, смогут сами ощущать личные перемещения и самовосстанавливаться от повреждений электрическим током, что представляет собой серьёзный прорыв в мягкой робототехнике.Относительно недавно созданные самовосстанавливающиеся электростатические приводы с гидроусилителем (HASEL) избегают громоздких, жёстких поршней и двигателей несложных роботов для мягких конструкций, каковые реагируют на приложенное напряжение широким диапазоном перемещений.
Мягкие устройства смогут делать множество задач, и захватывать хрупкие предметы, такие как сырое яйцо и малину, и поднимать тяжелые предметы. Приводы HASEL превосходят или соответствуют силе, скорости и эффективности биологических мышц, а их универсальность может дать создать неестественные мускулы для человекоподобных роботов и создать протезы конечностей нового поколения.Три различных конструкции приводов HASEL подробно обрисованы на данный момент в отдельных статьях, публикуемых в изданиях Science и Science Robotics.
«Мы черпаем энтузиазм в необыкновенных возможностях биологических мышц», — сказал Кристоф Кеплингер, старший создатель обеих статей, научный кафедры доцент и сотрудник машиностроения программы по материаловедению и инженерии. «Приводы HASEL объединяют в себе сильные стороны мягких жидкостных и мягких электростатических приводов и, так, сочетают в себе универсальность и производительность, как никакие другие неестественные мускулы раньше. Как и биологические мускулы, актуаторы HASEL смогут воспроизводить приспособляемость руки осьминога, скорость колибри и сила слона ".Одна итерация устройства HASEL, обрисованная в издании Science (видеообзор статьи), складывается из эластомерной оболочки в форме пончика, заполненной электроизолирующей жидкостью (к примеру, каноловым маслом) и подключенной к паре противоположных электродов.
При приложении напряжения жидкость вытесняется и ведет к изменению формы мягкой оболочки. Как пример возможного применения исследователи расположили пара из этих приводов напротив друг друга и достигли результата захвата при электрической активации. В то время, в то время, когда напряжение отключается, рукоятка отпускается.
Вторая конструкция HASEL складывается из слоев легко растягиваемых ионных проводников, каковые окружают слой жидкости и линейно возрастают и сжимаются при активации, чтобы либо поднять подвешенный галлон воды, либо согнуть механическую руку, удерживающую бейсбольный мяч.Использование жидкого изолирующего слоя не только в качестве гидравлической жидкости, которая снабжает универсальные перемещения, но и разрешает приводам HASEL самовосстанавливаться от электрических повреждений. Другие мягкие аккуратные механизмы, управляемые высоким напряжением, они же аккуратные механизмы из диэлектрического эластомера, используют твёрдый изолирующий слой, что катастрофически выходит из строя из-за электрического повреждения.
Напротив, жидкий изолирующий слой приводов HASEL сразу же восстанавливает личные изоляционные изюминки по окончании электрического повреждения. Такая отказоустойчивость разрешает исследователям надежно масштабировать устройства для приложения большего количества силы.
«Свойство создавать мягкие приводы с электрическим приводом, каковые поднимают галлон воды пара раз в секунду, — это то, чего мы раньше не видели. Эти демонстрации демонстрируют захватывающий потенциал HASEL», — сказал Эрик Аком, докторант группы Кеплингера и ведущий создатель научной статьи. «Высокое напряжение, необходимое для работы, имеется проблемой для продвижения вперед. Но мы уже трудимся над ответом данной проблеме и создали в лаборатории устройства, каковые трудятся с одной пятой напряжения, используемого в данной статье».
Приводы HASEL кроме этого будут принимать воздействие окружающей среды, как человеческие мышцы и нервы. Комбинация электрода и диэлектрика в этих аккуратных элементах образует конденсатор. Эта емкость, которая изменяется при растяжении устройства, может употребляться для определения деформации привода. Исследователи прикрепили привод HASEL к механической руке и продемонстрировали свойство приводить в действие руку, одновременно определяя положение.
Третий проект, подробно обрисованный в Science Robotics и известный как привод Peano-HASEL, складывается из трех мелких прямоугольных мешочков, заполненных жидкостью, соединенных последовательно. Полимерная оболочка изготовлена ??из того же недорогого материала, что и пакет для картофельных чипсов, и имеется узкой, прозрачной и эластичной. Устройства Peano-HASEL сжимаются при приложении напряжения, как биологические мускулы, что делает их особенно привлекательными для приложений робототехники.
Их перемещение с электроприводом разрешает трудиться на скоростях, превышающих скорость людских мышц.Универсальность и простота разработки HASEL разрешает найти широкое применение в индустрии как сейчас, так и в будущем.«Мы можем изготавливать эти устройства примерно за десять центов помимо этого сейчас», — сказал Николас Келларис, также докторант группы Кеплингера и ведущий создатель изучения Science Robotics. «Материалы недорогие, масштабируемые и совместимы с новейшими разработками производства».
Грядущие изучения будут направлены на грядущую оптимизацию материалов, изучение и геометрию передовых разработок производства, чтобы продолжить совершенствование платформы HASEL и не так долго осталось ждать сделать возможным применение на практике.Исследователи забрали патенты на эту разработку и сейчас изучают коммерческие возможности при содействии Управления передачи разработок CU Boulder.«Изучения, проводимые в лаборатории доктора Кеплингера, легко поразительны», — сказал Бобби Браун, декан прикладных Колледжа и наук инженерии CU Боулдера. «Он и его команда студентов оказывают помощь создать будущее эластичных, более человечных роботов, каковые вероятно использовать для улучшения жизни и благополучия людей. Это направление изучений имеется основной междисциплинарной сильной стороной отечественного колледжа».
Соавторами научной статьи являются Шейн Митчелл, Тимоти Моррисси, Мэдисон Эммет, Клэр Бенджамин, Мадлен Кинг и Майлз Радаковиц из Департамента машиностроения. Соавторами статьи о научной робототехнике являются Шейн Митчелл, Видьячаран Гопалуни Венката и Гарретт Смит из машиностроения.