Модульный дизайн робота, вдохновленный оригами, для адаптивной робототехники

Модульные роботы, способные изменять конфигурацию своего тела для навигации по различным местностям или смены стиля передвижения, обладают огромным потенциалом для выполнения разнообразных миссий в различных средах. В поисках инновационных модульных робототехнических систем исследователи из Университета Вестлейк и Чжэцзянского университета в Китае черпали вдохновение в сложном искусстве оригами. В частности, они использовали паттерн Креслинга, вид складки в оригами, для создания нового дизайна модульного робота. Этот изобретательный подход, представленный в статье Nature Communications, вводит универсально деформируемые модули, которые можно перестраивать для получения различных форм и конфигураций.

Оригами встречается с робототехникой: паттерн Креслинга

Паттерн Креслинга, хорошо известная складка оригами, включает чередование горных (выпуклых) и впадинных (вогнутых) складок вдоль направлений скручивания. Потенциал этого паттерна для воспроизведения сложных форм, наблюдаемых в природе, таких как сложные узоры на крыльях совок или геометрия сосновых шишек, побудил исследователей изучить его применение в робототехнике.

Традиционно робототехнические конструкции на основе Креслинга фокусировались на многомодальных роботизированных манипуляторах. Однако существующие методы были ограничены связанными режимами скручивания и сокращения. Амбицией исследователей было изменить паттерн Креслинга, чтобы ввести новые режимы деформации, расширяя границы возможностей модульной робототехники.

Инновационные деформируемые модули, приводимые в действие пневматикой

В основе этого исследования лежит создание универсально деформируемых модулей, приводимых в действие пневматикой — механизмом, использующим газ или сжатый воздух для движения. Исследователи разработали двухуровневую единицу паттерна Креслинга, характеризующуюся противоположными направлениями скручивания на каждом уровне. Единица также включает боковые карманы на противоположных сторонах каждого уровня. Путем селективного давления на эти боковые карманы при вакуумировании основной камеры исследователи достигли различных режимов деформации.

Трансформация формы новаторского модуля управляется регулированием давления, позволяя ему принимать различные формы, подходящие для конкретных применений. Примечательно, что один модуль оригами может обеспечивать семь различных режимов движения в роботах. Эти режимы включают три основных движения и четыре их комбинации.

Адаптивный и реконфигурируемый потенциал робототехники

Универсальность двухуровневой единицы является ее определяющей особенностью — она может выполнять все возможные режимы деформации в зависимости от выбранной схемы давления. Проводя аналогию с анатомией человека, исследователи сравнивают единицу с рукой, способной выполнять разнообразные деформации, подобно тому как наши руки могут сокращаться, вытягиваться, скручиваться и сгибаться. Схемы давления модуля отражают функцию нервов, позволяя ему адаптироваться, как наши руки; универсальный модуль служит эквивалентом человеческой руки с шестью степенями свободы.

Жизнеспособность этого инновационного дизайна была проверена с помощью симуляций и реальных экспериментов. Результаты были многообещающими, подтверждая потенциал модуля для стимулирования разработки модульных роботов, которые искусно ориентируются в окружающей среде и принимают разнообразные режимы движения.

Особенно примечательной особенностью модуля является его способность собираться заново во время работы робота. Это свойство делает его бесценным для сложных реальных миссий, требующих быстрых адаптаций к изменяющимся условиям. Из этой работы возникает возможность появления более сложных мягких роботов, реагирующих на окружающую среду.

В будущем исследователи планируют направить эту инновационную структуру на практическое применение, например, для улучшения способности робота захватывать крупные объекты. Обладая потенциалом революционизировать адаптивность и реконфигурируемость в робототехнике, этот подход, вдохновленный оригами, может usher in новую эру модульных роботов, которые безупречно справляются со сложными задачами в различных средах.