Эти гибкие логические ворота помогут Octobot Revolutionize Soft Robotics
Группа исследователей из Caltech и Harvard разработала цепочку деталей, изготовленных из мягких материалов, которые могут передавать механические сигналы. Эти гибкие, механические логические ворота представляют собой следующий шаг в создании мягкой робототехники.
Хотя механические сигналы испытывают значительное ослабление при прохождении через мягкий материал, изобретение может успешно передавать сигнал на большие расстояния. Гибкое устройство, разработанное Гарвардом и Калифорнийским технологическим институтом, имеет приложения в области мягкой робототехники и легких самолетов, построенных из гибкого вещества.
Мягкая робототехника
Мягкая робототехника, которая является относительно новой областью, имеет множество потенциальных приложений и может революционизировать то, как люди взаимодействуют с машинами. В отличие от обычного робота, мягкий робот может обрабатывать объекты с большей степенью свободы. Что еще более важно, такой робот может более эффективно управлять деликатными объектами из-за того, что он построен из мягких материалов. Например, мягкий робот может поднять жертву травмы и обеспечить их безопасность, не причинив им дальнейшего вреда.
Недавно были интересные исследования о мягких роботах. Исследователи из OCTOPUS Integrating Project разработали мягкий робот, который имитирует движения осьминогов, когда он перемещается по воде, захватывает объекты и гуляет по полу бассейна.
Octobot, разработанный группой исследователей из Гарвардского университета, является еще одним интересным примером мягких роботов. Octobot, который построен встроенной 3D-печатью и мягкой литографией, управляется химической реакцией. Другими словами, вместо использования обычных электрических цепей и батарей робот использует микрожидкостную логическую схему для направления потока топлива и выполнения движений.
Приспособимая структура осьминога является основной причиной, по которой исследователи интересуются этим морским существом. Исследователи надеются, что вдохновленные ловкими движениями осьминога, они могут прийти к практическим решениям для мягкой робототехники.
Проблема механического ослабления сигнала
Недавнее исследование, проведенное исследователями из Caltech и Harvard, нацелено на решение одной из основных задач, стоящих перед мягкой робототехникой: передача механического сигнала через мягкий материал - например, для движения «мышц» робота.
Мягкое вещество ослабляет механический сигнал. Это можно интуитивно понять, сравнив мягкий перфорирующий пакет с твердым. Когда мы попадаем в мягкий перфорирующий мешок, гибкая поверхность мешка деформируется, и мешок испытывает меньшие колебания по сравнению с твердым мешком. Поэтому передавать сигнал нелегко на большом расстоянии и с постоянной скоростью через мягкий материал.
Новый метод предотвращает ослабление или рассеяние сигнала за счет использования нелинейной неустойчивой системы для обхода этого явления. Хотя нелинейная нестабильная система имеет множество приложений в области техники, многие люди предпочитают использовать линейную стабильную систему из-за ее простого анализа и проектирования.
Исходя из этой традиции, исследователи из Caltech и Harvard прибегли к нелинейной нестабильной механической системе, чтобы компенсировать энергию, поглощаемую мягким материалом.
Использование как линейных, так и нелинейных систем
Весной является пример линейной стабильной системы. Когда мы подталкиваем пружину, она реагирует, отталкивая назад силой, которая линейно пропорциональна той, которую мы применили.
Напротив, рассмотрим гибкую арку, которая крепится к раме на двух концах. Построенный из эластичного материала, арка может иметь два стабильных состояния; вогнутое и выпуклое состояния. Если вы примените достаточную силу к арке, она может перейти из одного из этих состояний в другое. В отличие от пружины, если сила, которую вы применяете, превышает порог, арка изменит свое состояние с выпуклого на вогнутое или наоборот. В тот момент, когда этот переход происходит, сама арка высвобождает некоторую энергию и применяет силу в направлении нашей силы.
Это пример нелинейной механической системы, потому что направление силы, которое арка применяет, изменяется, когда она переходит из одного состояния в другое.
Поскольку арка имеет два стабильных состояния, она считается бистабильной системой.
В исследовании используется цепочка этих бистабильных элементов, соединенных друг с другом пружинами. Когда одна из этих дуг идет от вогнутого к выпуклом, ее пружина прикладывает силу к дуге, которая находится ниже по течению в цепи. Следовательно, следующая арка меняет состояние, и это продолжается, как домино.
Бистабильные элементы и их соединительные пружины в двух разных стабильных состояниях. Изображение предоставлено Kurzweil AI
Энергия, высвобождаемая при появлении дуги, уравновешивает энергию, поглощаемую мягким материалом. В результате сигнал перемещается с постоянной скоростью, не испытывая затухания.
По данным Кати Бертольди из SEAS, доцента естественных наук Джона Л. Леба и старшего автора этой статьи, новый метод не только предотвращает ослабление сигнала, но и устраняет искажение сигнала. Следовательно, с помощью этого метода, уровень сигнала и четкость поддерживаются.
Нел Надкарни, аспирант Caltech, занимающийся аэрокосмической техникой, участвовал в исследовании, говорит, что математические уравнения этих систем, основанные на фазовых превращениях, сильно нелинейны и не очень хорошо поняты.
Создание мягких логических логических ворот
Прототип исследования, основанный на трехмерных печатных элементах, описан в публикации « Труды Национальной академии наук» от 8 августа 2016 года. В этой статье, озаглавленной «Стабильное распространение механических сигналов в мягких средах с использованием запасенной упругой энергии», представлены механические логические логические И и ИЛИ логические схемы на основе новой техники. Эта статья является третьей в серии публикаций, в которой представлены новые методы передачи сигналов.
Механические вентили И и ИЛИ, разработанные на основе нового метода. Изображение предоставлено Kurzweil AI
Эти логические ворота разработаны с помощью соответствующего выбора параметра $$ d_ {out} $$, как показано на приведенном выше рисунке.
Выбирая маленький $$ d_ {out} $$, требуется усиление силы, чтобы обеспечить выход и вытолкнуть его. Таким образом, небольшой $$ d_ {out} $$ приведет к логическому устройству AND, потому что энергетический барьер будет выше, и оба входа должны быть выдвинуты для обеспечения выхода.
Однако большой $$ d_ {out} $$ уменьшит энергию барьера, которая приведет к вращению ИЛИ. Это связано с тем, что любой из вставляемых входов позволяет включить выход.
В первой статье серии, опубликованной в журнале Physical Review B, обсуждалась математическая основа введенной техники.
Вторая статья, опубликованная в « Physical Review Letters», представила первую экспериментальную модель для системы. В этой статье также описано, что для соединения бистабильных элементов друг с другом можно использовать магниты, а не пружины. Это позволяет перегрузить систему в исходное состояние, изменив полярность магнитов.
Будущие шаги: наномасштабные приложения?
Одним из ведущих исследователей проекта является Деннис Кохманн, помощник профессора аэрокосмической промышленности в отделе инженерии и прикладных наук Кальтех. Он считает, что внедренная система имеет множество потенциальных приложений, но также и то, что она демонстрирует аналогичное поведение в материалах в атомном масштабе. Учитывая тот факт, что трудно исследовать такое поведение атомного масштаба как экспериментально, так и вычислительно, новая система обеспечивает макромасштабный ценный аналог для такого поведения.