Инженеры использовали принципы работы ног пауков для создания электрогидравлического привода

0
26

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

Инженеры использовали принципы работы ног пауков для создания электрогидравлического привода

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.

Инженеры использовали принципы работы ног пауков для создания электрогидравлического привода

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.

Инженеры использовали принципы работы ног пауков для создания электрогидравлического привода

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.