Надувные мягкие приводы, способные менять форму простым увеличением давления, могут быть мощными, легкими и гибкими компонентами для мягких роботизированных систем. Но есть проблема: эти приводы всегда деформируются одинаково при повышении давления.
Для повышения функциональности мягких роботов важно включить дополнительные и более сложные режимы деформации в мягких приводах.
Исследователи из Гарвардской школы инженерных и прикладных наук имени Джона А. Полсона (SEAS) черпали вдохновение из оригами для создания надувных конструкций, которые могут изгибаться, скручиваться и перемещаться сложными, различными способами от одного источника давления.
Исследование было опубликовано в журнале Advanced Functional Materials.
Большинство современных надувных мягких приводов являются моностабильными, что означает, что для поддержания их надутого состояния им требуется постоянное давление. Уменьшите это давление, и конструкция сдуется до своей единственной стабильной формы.
“Если вы надуваете моностабильную конструкцию, она всегда придает вам одну и ту же развернутую форму и возвращается к той же первоначальной форме, когда вы сбрасываете давление”, – сказал Дэвид Меланкон, бывший аспирант SEAS и соавтор статьи. “В этой работе мы используем бистабильные строительные блоки оригами, чтобы обойти это ограничение”.
Бистабильные блоки оригами стабильны в двух различных конфигурациях и не требуют постоянного давления, чтобы оставаться развернутыми.
Исследовательская группа, возглавляемая Катей Бертольди, профессором прикладной механики Уильяма и Ами Куан Данофф в SEAS, использовала классический узор оригами, известный как мотив Креслинга, который характеризуется чередованием складок возвышений и впадин на цилиндре, образующих треугольные ячейки.
Исследователи сначала создали простые моностабильные модули из модели Креслинга. Чтобы разблокировать бистабильность, они добавили дефект в мотив оригами: дополнительный узел, который создает четырехугольный купол, который может выдвигаться при подаче определенного количества отрицательного или положительного давления.
“Принцип его работы прост”, – сказал Антонио Элиа Форте, бывший аспирант SEAS и один из авторов статьи. “Сначала мы надуваем конструкцию под определенным давлением, чтобы открыть определенные ячейки, которые останутся открытыми, даже если вы уберете давление. Затем, в этой новой конфигурации, поскольку мы нарушаем симметрию, мы можем просто использовать вакуум, чтобы вызвать изгиб, сжатие или скручивание. Затем мы надуваем конструкцию до второго давления, чтобы открыть дополнительные ячейки, которые открывают совершенно другие деформации, когда мы снова вакуумируем “.
“Собирая различные модули и настраивая их геометрию, чтобы вызвать прощелкивание при различных давлениях, мы создаем структуры, способные принимать сложные формы и режимы деформации, которые можно предварительно запрограммировать и активировать, используя только один источник давления”, – сказал Меланкон, который в настоящее время является научным сотрудником Принстонского университета.
Исследователи построили привод с 12 различными модулями и показали, что он может выполнять до восьми различных сложных движений. Команда также разработала алгоритм, который может определить оптимальную комбинацию модулей для желаемых режимов деформации.
Поскольку механика, действующая в системе, определяется геометрией, такой подход может привести к применению в самых разных масштабах.
More information: David Melancon et al, Inflatable Origami: Multimodal Deformation via Multistability, Advanced Functional Materials (2022). DOI: 10.1002/adfm.202201891
