Оригами

Aug 12, 2023

Исследователи Университета Южной Калифорнии разработали инновационное решение для измерения движения мягких компонентов в робототехнике.

Датчики деформации в стиле оригами могут изменить наше взаимодействие с мягкими роботами

Голливуд — популярный источник вдохновения для робототехников. Удивительно реалистичные движения анимационных персонажей в таких фильмах, как «Аватар» и «Властелин колец», создаются с использованием техники захвата движения, при которой к актеру прикрепляются светоотражающие маркеры, которые фиксируются камерами и преобразуются в данные движения, которые можно читаться с помощью анимационного программного обеспечения.

В области мягкой робототехники аналогичный метод использовался для отслеживания деформации – или изменений формы – мягких компонентов, таких как мышцы роботизированной руки. Камеры могут собирать данные, которые позволяют исследователям измерять растяжимость и восстановление, что является важной информацией для прогнозирования и, следовательно, управления движением робота.

Вот в чем загвоздка: этот процесс редко работает за пределами лаборатории. Если робот бороздит океан, работает в космосе или заключен в человеческое тело, установка нескольких камер не всегда практична.

Вот почему Ханбо Чжао, который одновременно занимает должность доцента на кафедре аэрокосмической и машиностроительной техники и на кафедре биомедицинской инженерии имени Альфреда Э. Манна, решил протестировать альтернативный подход.

Масштабированное изображение тензодатчика с дизайном электрода в стиле оригами

Вдохновленный беседами со своими коллегами по мягкой робототехнике, Чжао и его исследовательская группа разработали конструкцию нового датчика с использованием 3D-электродов, вдохновленных схемами складывания, используемыми в оригами, способного измерять диапазон деформации, в три раза превышающий диапазон деформации обычного датчика. .

Датчики можно прикреплять к движущимся мягким телам — от механических сухожилий протезной ноги до пульсирующего вещества внутренних органов человека — с целью отслеживания изменения формы и правильного функционирования без использования камер.

Полученная в результате статья «Датчики деформации с высокой растяжимостью и низким гистерезисом, использующие трехмерные мезоструктуры в стиле оригами» опубликована в ведущем журнале Science Advances.

«Для разработки нового датчика мы использовали нашу предыдущую работу по проектированию и производству небольших 3D-структур, в которых применяются принципы оригами», — объяснил Чжао. «Это позволяет многократно использовать датчики и давать точные показания даже при измерении больших и динамических деформаций мягких тел».

Профессор Ханбо Чжао и первый автор статьи Синхао Хуан, кандидат технических наук в области машиностроения.

Существующие растягивающиеся тензодатчики обычно используют мягкие материалы, такие как резина, но этот тип материала может претерпевать необратимые изменения в свойствах материала в результате многократного использования, что дает ненадежные показатели, когда дело доходит до обнаружения деформации.

Но что, если материал датчика не является мягким или эластичным по своей сути? Вместо этого трехмерная структура электродов преобразует растяжение и расслабление в процесс разворачивания и складывания.

Гениальное решение Чжао для электродного датчика можно продемонстрировать на плоском листе бумаги. Потяните за любую сторону – станет ли она больше? Нет? Итак, не эластичный.

Теперь сложите бумагу пополам. Откройте его снова. Форма сложенной бумаги меняется, но сам материал по существу не трансформируется. Другими словами, лучше, чем эластичный.

Когда электроды разворачиваются, фиксируется сила электрического поля. Модель, разработанная командой, затем преобразует эти показания в измерение деформации. Этот подход идеален для реагирования на большие деформации, которые существующие датчики не способны точно идентифицировать; Благодаря искусству складывания можно добиться обратимых скачков размеров, не вызывая изменения материала.

«Мы объединяем электроды в стиле 3D-оригами с мягкой, растягивающейся подложкой посредством ковалентной связи», — объяснил Чжао. «Эта уникальная комбинация позволяет нам измерять очень большую деформацию, до 200 процентов, со сверхнизким гистерезисом около 1,2 процента. Также имеется очень быстрый ответ — в течение 22 миллисекунд».