Одной из основных проблем при разработке мягких роботизированных захватов является интеграция традиционных датчиков на пальцы робота. В идеале мягкий захват должен обладать так называемой проприоцепцией – чувством собственных движений и положения, чтобы иметь возможность безопасно выполнять разнообразные задачи. Однако традиционные датчики жесткие и ухудшают механические характеристики мягких частей.
Более того, существующие мягкие захваты обычно разрабатываются с учетом одного типа проприоцептивного ощущения; либо давление, либо искривление пальцев.
Чтобы преодолеть эти ограничения, ученые из Университета Рицумейкан, Япония, работали над новыми конструкциями мягких захватов под руководством доцента Менгинь Се. В своем последнем исследовании, опубликованном в Nano Energy, они успешно использовали технологию многоматериальной 3D-печати для изготовления мягких роботизированных пальцев со встроенным датчиком проприоцепции.
Их стратегия проектирования предлагает множество преимуществ и представляет собой большой шаг к более безопасным и более функциональным мягким роботам.
Мягкий палец имеет усиленную камеру для накачивания, благодаря которой он легко изгибается в зависимости от входного давления воздуха. Кроме того, жесткость пальца также регулируется путем создания вакуума в отдельной камере.
Это было достигнуто с помощью механизма, называемого вакуумным заклиниванием, с помощью которого несколько уложенных друг на друга слоев сгибаемого материала можно сделать жесткими, всасывая воздух между ними. Сочетание обеих функций позволяет роботизированному захвату с тремя пальцами правильно захватывать и удерживать любой объект, обеспечивая приложение необходимой силы.
Однако наиболее примечательным является то, что один пьезоэлектрический слой был включен среди вакуумных заглушающих слоев в качестве датчика. Пьезоэлектрический эффект создает разницу напряжений, когда материал находится под давлением. Ученые использовали это явление в качестве сенсорного механизма для пальца робота, предоставляя простой способ определить как его кривизну, так и начальную жесткость (до регулировки вакуума). Они дополнительно повысили чувствительность пальца за счет включения микроструктурированного слоя среди глухих слоев для улучшения распределения давления на пьезоэлектрический материал.
Использование мультиматериальной 3D-печати, простого и быстрого процесса прототипирования, позволило исследователям легко интегрировать механизмы чувствительности и настройки жесткости в конструкцию самого пальца робота. «Наша работа предлагает способ разработки датчиков, которые могут использоваться не только в качестве чувствительных элементов для робототехнических приложений, но и в качестве активных функциональных материалов, чтобы обеспечить лучший контроль всей системы без ущерба для ее динамического поведения», – говорит профессор Кси. Другой примечательной особенностью их конструкции является то, что датчик питается от пьезоэлектрического эффекта, а это означает, что он не требует подачи энергии, что необходимо для приложений с низким энергопотреблением.
В целом, это захватывающее новое исследование поможет будущим исследователям найти новые способы улучшить взаимодействие мягких захватов с объектами, которыми они манипулируют, и их восприятие.
В свою очередь, это значительно расширит возможности использования роботов, как указывает профессор Се: «Встроенные датчики с автономным питанием не только позволят роботам безопасно взаимодействовать с людьми и окружающей их средой, но и устранят препятствия для роботизированных приложений, которые в настоящее время полагаются на датчики с питанием для мониторинга условий."
Будем надеяться, что эта технология получит дальнейшее развитие, и наши друзья-механики вскоре смогут присоединиться к нам во многих других сферах деятельности!