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  • I ricercatori sviluppano valvole morbide per realizzare robot completamente morbidi

    Quando viene lasciato cadere su un oggetto, la valvola si chiude e la pinza si attiva da sola. Credito:Università di Harvard

    Negli ultimi anni, una classe di robot completamente nuova, ispirata alle forme naturali e costruita utilizzando morbidi, elastomeri flessibili, ha preso d'assalto il campo, con disegni capaci di afferrare oggetti, a piedi, e anche saltare.

    Eppure, nonostante queste innovazioni, i cosiddetti robot "morbidi" trasportavano ancora alcune parti "dure".

    In particolare, disse Philipp Rothemund, uno studente di dottorato che lavora nel laboratorio di Woodford L. e il professor George Whitesides della Ann A. Flowers University, il gonfiaggio e lo sgonfiaggio dei robot erano generalmente controllati da valvole pneumatiche standard, fino ad ora.

    Rothemund e il dottorando Daniel Preston hanno creato una valvola morbida che potrebbe sostituire componenti così duri, e potrebbe portare alla creazione di robot interamente morbidi. La struttura della valvola può essere utilizzata anche per produrre pezzi unici, comportamento oscillatorio e potrebbe anche essere usato per costruire circuiti logici morbidi. La valvola è descritta in un articolo pubblicato di recente in Robotica scientifica .

    Oltre a Rothemund e Preston, lo studio è co-autore di Alar Ainla, Lee Belding, e Sarah Kurihara del Dipartimento di Chimica e Biologia Chimica, Zhigang Suo del Kavli Institute for Bionano Science &Technology, e Whitesides.

    "Le persone hanno costruito molti diversi tipi di robot morbidi... e tutti alla fine sono controllati da valvole rigide, " Disse Rothemund. "La nostra idea era di incorporare queste funzioni di controllo nel robot stesso, quindi non avremmo bisogno di questi duri, parti esterne più. Questa valvola combina due semplici idee:primo, la membrana è simile ai giocattoli "popper", e il secondo è che quando pieghi questi tubi, è come quando si attorciglia un tubo da giardino per bloccare il flusso dell'acqua."

    La valvola dimostrata da Preston e Rothemund è incorporata in un cilindro separato da una membrana di silicone, creando una camera superiore e una inferiore.

    La pressurizzazione della camera inferiore costringe la membrana a sollevarsi, e rilasciando la pressione lo fa tornare al suo stato di "riposo". Ogni camera contiene anche un tubo che può essere piegato quando la membrana cambia orientamento, attivando o disattivando efficacemente la valvola.

    "In qualunque direzione sia, sta attorcigliando un tubo sopra o sotto, "Ha detto Preston. "Così, quando è saltato giù, il tubo inferiore è piegato, e non c'è flusso d'aria attraverso il tubo inferiore. Quando la membrana si apre, il tubo superiore è piegato, il tubo inferiore si staccherà, e l'aria può fluire attraverso il tubo inferiore. Possiamo passare avanti e indietro tra questi due stati... per cambiare l'uscita".

    In alcuni modi, Preston e Rothemund dissero:la valvola rappresenta un nuovo approccio alla robotica morbida.

    Mentre la maggior parte del lavoro nel campo finora si è concentrata sulla funzione, costruendo robot in grado di afferrare o agire come retrattori chirurgici morbidi, Rothemund e Preston vedono la valvola come un componente chiave che potrebbe essere utilizzato in qualsiasi numero di dispositivi.

    "L'idea è che funzioni con qualsiasi attuatore morbido, " Disse Rothemund. "Questo non risponde alla domanda su come si fa una pinza, ma fa un passo indietro e dice che molti robot morbidi funzionano sullo stesso principio di inflazione e deflazione, quindi tutti quei robot potrebbero usare questa valvola."

    Credito:Università di Harvard

    Preston e Rothemund sono stati in grado di adattare la valvola per eseguire alcune azioni, come afferrare un oggetto, autonomamente.

    In una dimostrazione, Rothemund ha spiegato, la valvola è stata incorporata in una pinza multidita, ma è stato aggiunto un piccolo sfiato per consentire alla pressione dell'aria di fuoriuscire dalla camera inferiore della valvola. Quando la pinza è stata abbassata su una pallina da tennis, però, lo sfiato era chiuso, causando la pressurizzazione della camera inferiore, attivando la valvola, e mettere in azione la pinza.

    "Quindi questo integra la funzione nel robot, " ha detto. "La gente ha fatto pinze prima, ma c'era sempre qualcuno in piedi lì per vedere che la pinza era abbastanza vicina da attivarsi. Questo lo fa automaticamente."

    Il team è stato anche in grado di costruire un sistema di "feedback" che, quando alimentato da un singolo, pressione costante, ha fatto sì che la valvola oscillasse rapidamente tra gli stati.

    Essenzialmente, Preston ha detto, il sistema ha alimentato la pressione dell'aria attraverso la camera superiore e nella parte inferiore. Quando la valvola è scattata in posizione sollevata, ha tagliato la pressione, permettendo alla camera inferiore di sfiatare, rilasciando la pressione e facendo tornare la membrana in posizione abbassata, ricominciare il ciclo.

    "Abbiamo approfittato del fatto che la pressione che provoca il ribaltamento della membrana è diversa dalla pressione necessaria per il ribaltamento, " ha spiegato. "Quindi quando reimmettiamo l'uscita nella valvola stessa, otteniamo questo comportamento oscillatorio."

    Usando quel comportamento, il team è stato in grado di costruire un semplice robot "inchworm" in grado di muoversi in base a una singola valvola che riceve una singola pressione in ingresso.

    "Quindi con una pressione costante, siamo stati in grado di ottenere questo movimento a piedi, "Ha detto Preston. "Non controlliamo affatto questa camminata:immettiamo solo una singola pressione e cammina da sola".

    Andando avanti, Rothemund ha detto, è necessario fare più lavoro per perfezionare ulteriormente la valvola in modo che possa essere ottimizzata per vari usi e varie geometrie.

    "Questa era solo una dimostrazione con la membrana, " ha detto. "Ci sono molte geometrie diverse che mostrano questo tipo di comportamento bistabile ... quindi ora possiamo effettivamente pensare di progettarlo in modo che si adatti a un robot, a seconda dell'applicazione che hai in mente."

    Preston spera anche di esplorare se la valvola, poiché è sempre in uno dei due stati, potrebbe essere utilizzata come un tipo di transistor per formare circuiti logici.

    "È un po' come un transistor in un certo senso, " ha detto. "Puoi far entrare una pressione di input e cambiare quello che sarà l'output ... in questo senso potremmo pensare a questo quasi come un blocco di costruzione per un computer completamente morbido".

    Questa storia è pubblicata per gentile concessione della Harvard Gazette, Il giornale ufficiale dell'Università di Harvard. Per ulteriori notizie universitarie, visita Harvard.edu.




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