Инженеры использовали принципы работы ног пауков для создания электрогидравлического привода

Команда исследователей из США и Германии использовала гидравлический принцип работы ног пауков для создания сверхлёгкого электрогидравлического привода и трёхпалового мягкого захвата. 

Принципы паукоподобных электрогидравлических соединений с мягким приводом (Spider-inspired Electrohydraulic Soft-actuated joints — SES). (А) На изображении паук-волк из семейства Lycosidae. Давление гемолимфы действует на сустав паука и вытягивает ногу. (В) SES состоят из гибкого резервуара, заполненного жидким диэлектриком, и двух противоположных электродов по бокам. С одной стороны расположен слой жесткости для ограничения действия. Гибкий шарнир обеспечивает стабильность и пассивную восстанавливающую силу. При воздействии напряжения, тензор напряжений Максвелла заставляет электроны сжиматься, что создаёт давление на жидкий диэлектрик (Р) и вызывает изгиб соединения под углом θ. (С) SES с выключенным и включенным напряжением (8 кВ). (D) Слой жёсткости поддерживает эффективную передачу силы вдоль конечности. Привод весом 1,3г поднимает объект весом 20г на 10 см от точки вращения. (E) Несколько SES объединены в роботизированную конструкцию. (F) Конструкция из SES прыгает.

Членистоногие и моллюски — частый источник вдохновения при создании манипуляторов роботов. Например, в августе 2016 года инженеры Гарвардского университета создали первого в мире автономного мягкого робота-осьминога. Через два года американские исследователи сделали мягкого паука, двигающегося за счёт системы микрофлюидных каналов и камер, через которые поступает кислород для движения.

В новом исследовании инженеры Колорадского университета в Боулдере (США) и Института интеллектуальных систем им. Макса Планка в Германии использовали гидравлику ног пауков для разработки мягкого робота.

Вопреки расхожему мнению, мышцы в ногах пауков присутствуют. Суставы, соединяющие ноги с туловищем, обладают сгибательными и разгибательными мышцами, суставы лап — только сгибательными. Выпрямление лап происходит под давлением гемолимфы, силу которого контролируют сгибательные мышцы. Под разным давлением угол наклона суставов меняется. Когда паук теряет гемолимфу или умирает, давление падает и лапки поджимаются к брюшку. 

Исследователи перенесли гидравлический принцип работы лап пауков на своё устройство. Авторы сконструировали мягкий электрогидравлический привод из гибкого резервуара с жидким диэлектриком и двумя подключёнными на противоположных сторонах электродами и прикрепили его на основу из пластика.

Процесс изготовления SES. (А) Этапы сборки. (1) Два слоя полимерной плёнки свариваются по бокам, оставляя отверстие для жидкости. (2) Углеродные электроды печатаются с обеих сторон резервуара. Исследователи отрезают излишки плёнки и оставляют «юбку» по бокам и снизу для предупреждения электрической дуги вокруг привода во время работы. (3) Гибкое соединение из гибкого шарнирного слоя скрепляется с двухкомпонентным слоем жесткости. На поверхность наносится клеевой слой для соединения с приводом. (4) Резервуар крепится к соединению и заполняется диэлектриком, после чего отверстие сваривают. (В) Готовый привод. h — высота электрода. w — ширина мешочка. r — высота резервуара с диэлектриком, не покрытого электродами. θ₀— угол наклона в состоянии покоя.

Электроды интегрированы в жидкий диэлектрик. При подаче высокого напряжения (киловольты) тензор напряжений Максвелла заставляет электроды сжиматься, создавая давление и перекачивая жидкость в область, не покрытую электродом (обозначена как r на схеме выше). В итоге гидростатическое давление и вызывает сгибание сустава. Сустав сгибается активнее по мере повышения напряжения. 

Исследователи сравнили потребляемые мощности SES и сервопривода с аналогичной номинальной мощностью. Оба привода выполнили тесты на удержание одинакового веса: фиксация на 0°, потом перемещение и удержание веса под углом 25° в течение нескольких секунд, возвращение на 0°. При перемещении на угол 25° сервопривод тянул 450 мВт, SES в несколько раз меньше — 80 мВт. При удержании на 25° сервоприводу потребовалось 140 мВт, в то время как SES — меньше 1 мВт. На угле 0° сервопривод продолжил потреблять около 80 мВт, в то время как энергия из SES могла быть возвращена в систему путем реализации схемы восстановления заряда.

После проверок SES исследователи экспериментировали с совмещением приводов в различные роботизированные устройства. Самыми первыми появились подпрыгивающие роботы и роботы, встающие на ноги под действием гидравлического привода. 

Следующим этапом стало создание трёхпалого захвата. Каждый конический «лепесток» захвата содержит по три привода, соединённых общим внутренним электродом (заземление) и внешними независимыми электродами. Самый большой привод расположен в основании конструкции, чтобы поддерживать крутящий момент для подъема остальных приводов. При отсутствии нагрузки устройство сгибалось до угла 180° и поднималось над поверхностью, если его повернуть внутренней стороной к поверхности.

Слева: схема расположения приводов и электродов на «лепестке» захвата. Справа: работа устройства при запуске разных приводов и подъём с пола. Источник: исследование «Spider-Inspired Electrohydraulic Actuators for Fast, Soft-Actuated Joints» в журнале Advanced Science DOI: 10.1002/advs.202100916

Исследователи собрали «лепестки» в трёхпалый роботизированный захват и добавили на концы деформируемый эффектор. Он обеспечивал большую площадь контакта при захвате и поверхность трения. Захват собирал предметы разной жёсткости и веса: клубника (18 г), яблоко (170 г) и кружка (270 г). В горизонтальной ориентации устройство собирало клубнику с сигналом напряжения 6 кВ, в вертикальной ориентации — на 8 кВ для всех типов предметов, не требуя при этом сенсорной обратной связи. 

Авторы отмечают, что полученный механизм работы позволяет создавать конструкции с разной геометрией и характеристиками срабатывания. Они ставят целью создание полноценного робота-паука на основе электрогидравлических приводов и его интеграцию в любой тип робота. 

По словам исследователей, приводы SES пригодятся и для производства роботизированных устройств размером в несколько сантиметров с ограниченной площадью для установки механизмов. SES потребляет в несколько раз меньше энергии, чем сервоприводы с аналогичной номинальной мощностью, что также даёт им огромное преимущество в разработке мягкой робототехники. 

Источник

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Кнопка «Наверх»