W badaniu opublikowanym w tym tygodniu w Internecie naukowcy zajmujący się robotyką, inżynierowie i materiałoznawcy z Rice University i Harvard University wykazali, że możliwe jest tworzenie programowalnych, nieelektronicznych obwodów, które kontrolują działania miękkich robotów poprzez przetwarzanie informacji zakodowanych w wybuchach sprężonego powietrza.
„Częścią piękna tego systemu jest to, że naprawdę jesteśmy w stanie zredukować obliczenia do jego podstawowych elementów” – powiedział Colter Decker, główny autor badania w Proceedings of the National Academy of Sciences. Powiedział, że elektroniczne systemy sterowania były doskonalone i udoskonalane od dziesięcioleci, a odtworzenie obwodów komputerowych „z analogami do ciśnienia i natężenia przepływu zamiast napięcia i prądu” ułatwiło włączenie obliczeń pneumatycznych.
Decker, starszy specjalista w dziedzinie inżynierii mechanicznej, zbudował swój miękki robotyczny system sterowania głównie z materiałów codziennego użytku, takich jak plastikowe słomki do picia i gumki. Pomimo swojej prostoty eksperymenty wykazały, że sterowane powietrzem bramki logiczne systemu mogą być skonfigurowane do wykonywania operacji zwanych funkcjami Boole’a, które są mięsem i ziemniakiem nowoczesnego informatyki.
„Celem nigdy nie było całkowite zastąpienie komputerów elektronicznych” – powiedział Decker. Powiedział, że istnieje wiele przypadków, w których miękkie roboty lub urządzenia do noszenia muszą być zaprogramowane tylko na kilka prostych ruchów, i możliwe, że technologia zademonstrowana w artykule „byłaby znacznie tańsza i bezpieczniejsza w użyciu oraz znacznie trwalsza” niż tradycyjne elektroniczne sterowanie.
Jako student pierwszego roku Decker rozpoczął pracę w laboratorium Daniela Prestona, adiunkta inżynierii mechanicznej w Rice. Decker studiował systemy kontroli płynów i zainteresował się stworzeniem takiego, kiedy wygrał konkurencyjne letnie stypendium badawcze, które pozwoliło mu spędzić kilka miesięcy pracując w laboratorium chemika z Harvardu i materiałoznawcy George’a Whitesidesa.
Projekt przekształcił się w miesięczną współpracę między dwiema grupami badawczymi, a Decker miał dziewięciu współautorów badania, w tym współkorespondentów Preston i Whitesides.
Decker i współpracownicy stworzyli dwa komponenty, siłownik w kształcie tłoka, który przekształca ciśnienie powietrza na siłę mechaniczną oraz zawór, który można przełączać między dwoma stanami – wyłączonym i włączonym. Komponenty zostały wykonane z części, które obejmowały plastikowe słomki do picia, elastyczne plastikowe rurki, gumki, pergamin i termoplastyczne arkusze poliuretanowe, które można było łączyć za pomocą stołowej prasy termicznej lub gorącego żelazka.
Zespół badawczy wykazał, że te dwa komponenty można połączyć w jednym urządzeniu, bistabilnym zaworze, który działa jak przełącznik i wykorzystuje ciśnienie powietrza zarówno jako wejście, jak i wyjście. Potrzebna jest określona ilość ciśnienia powietrza, aby przełączyć przełącznik między stanami wyłączonym i włączonym. Zawory są utrzymywane w stanie zamkniętym za pomocą gumek i są programowane poprzez dodawanie lub odejmowanie gumek, co zmienia wielkość ciśnienia wymaganego do aktywacji. W testach Decker wykazał, że obwody można wykorzystać do sterowania miękkim robotem w kształcie dłoni, poduszką pneumatyczną i robotem wielkości pudełka na buty, który może przejść zaprogramowaną liczbę kroków, podnieść przedmiot i wrócić do początkowego miejsca.
„Największym osiągnięciem w tej pracy jest włączenie sterowania cyfrowego i analogowego do tej samej architektury systemu” — powiedział Preston. Posiadanie obu oznacza, że pneumatyczne obwody sterujące mogą być programowane cyfrowo, z „jedynkami i zerami, o których myślisz w tradycyjnym komputerze. Ale możemy również wprowadzić możliwości analogowe, rzeczy, które są ciągłe” – powiedział. „To pozwala nam naprawdę uprościć ogólną architekturę systemu i osiągnąć nowe możliwości, które nie były dostępne we wcześniejszej pracy”.
Rzadko zdarza się, aby student był głównym autorem badania w tak prestiżowym czasopiśmie, jak Proceedings of the National Academy of Sciences, ale Preston powiedział, że sukces Deckera nie był przypadkowy.
„Studenci w Rice są naprawdę na najwyższym poziomie, a Colter, w jego przypadku, osiągnął właściwie to, co powiedziałbym, poziom doktoranta, jeśli chodzi o niektóre jego osiągnięcia jako badacza studiów licencjackich”, Preston powiedział.
Dodatkowymi współautorami są Haihui Joy Jiang, Samuel Root, Jonathan Alvarez, Jovanna Tracz i Lukas Wille z Harvardu, Anoop Rajappan z Rice i Markus Nemitz z Worcester Polytechnic Institute.
Badania były wspierane przez Department of Energy (DE-SC0000989), National Science Foundation (2144809, 2011754, 2025158), Rice University Academy of Fellows oraz Harvard University Center for Nanoscale Systems.
Wideo: https://youtu.be/0D22s2cMlxc
Źródło historii:
Materiały dostarczone przez Uniwersytet Ryżowy. Oryginał napisany przez Jade Boyd. Uwaga: Treść można edytować pod kątem stylu i długości.