US-Roboter springt ohne Elektronik Hunderte Male seiner Höhe

Forscher des Penn Engineering haben eine alltägliche Unannehmlichkeit – einen Knoten in einem Seil – in einen Hochleistungsroboter, der durch Wärme aktiviert wird, verwandelt.

Diese winzigen, weichen Roboter können bis zu zwei Meter (über sechs Fuß) in die Luft springen, sich in der Luft drehen und sogar zu ihrem Ausgangspunkt „boomerangieren“. Dies bietet eine neue Methode für die autonome Wiederaufforstung und Landwirtschaft.

Die Studie zeigt, wie eine einfache Änderung der Knoten „Topologie“ eine millimeterdicke Faser in eine programmierbare Maschine verwandeln kann, die komplexe Gymnastikroutinen ohne ein einziges elektronisches Bauteil ausführen kann.

Das Forschungsteam unter der Leitung

Das Forschungsteam unter der Leitung von Shu Yang und Yaoye Hong nutzte eine Dual-Material-Faser, die aus einem steifen Kevlar-Kern und einer umgebenden Hülle aus Flüssigkristal-Elastomer (LCE) besteht.

Dieses Paar ermöglicht es der Faser, beim Verdrehen und Knoten elastische Energie zu speichern und so wie eine Feder zu wirken, die durch einen reibungsbasierten Riegel gehalten wird. Mithilfe der mathematischen Topologie wird das System durch Wärme und nicht durch Elektronik aktiviert.

„Wenn die Temperatur auf etwa 60 bis 90 Grad Celsius steigt, zieht sich die LCE-Hülle zusammen und entwindet sich, wodurch der Knoten gerade genug gelockert wird, um ein abruptes Lösen auszulösen.

In Sekundenbruchteilen wandelt sich gespeicherte elastische

In Sekundenbruchteilen wandelt sich gespeicherte elastische Energie in kinetische Energie für schnelle Bewegungen um“, erklärten die Forscher in einer Pressemitteilung. Ein Knoten von nur wenigen Millimetern Länge kann Höhen erreichen, die Hunderte Male größer sind als seine eigene Größe.

Die spezifische Bewegung des Roboters wird durch seine mathematische Topologie gesteuert. Beispielsweise erzeugt ein Überhandknoten eine flippende Bewegung, während ein Achtknoten den Roboter rotieren lässt.

Komplexere Knoten können so konzipiert werden, dass sie stufenweise gelöst werden und dadurch sequentielle Bewegungen erzeugen, die einer gymnastischen Routine ähneln. „Die Leute denken an einen geknoteten Faden als etwas Passives“, sagte Yang.

Aber wenn man die Elastizität

„Aber wenn man die Elastizität und die Materialien sorgfältig gestaltet, wird der Knoten selbst zu einem aktiven System.“ Nützlich für die Wiederaufforstung, die Landwirtschaft Um den Flug und den Abstieg zu steuern, fügte das Team ein dünnes Flügelstück hinzu, das von der Autorotation von Ahorn-Samen inspiriert ist.

Abhängig von der Positionierung dieses Flügels kann der Roboter vorwärts gleiten oder sich in Richtung seines Ausgangspunktes biegen. Diese kinetische Energie ist besonders nützlich für die Wiederaufforstung, da sie den Roboter mit hohem lokalem Druck in den Boden drückt.

Diese Methode erzeugt Eindringdrücke, die ungefähr 30 Mal größer sind als bei früheren Samen-Trägersystemen, die auf Regen angewiesen waren, um Holzfurniere zu erweitern. Da die neuen Roboter durch Hitze ausgelöst werden, können sie in ariden Umgebungen, in denen Regen selten ist, durch vorhersehbares Sonnenlicht aktiviert werden.

Das Projekt entstand aus einem Interesse

Das Projekt entstand aus einem Interesse daran, wie starre und flexible Materialien miteinander interagieren. Die Zugabe des Kevlar-Kerns ermöglichte es der Faser, Verformungen zu widerstehen und genug Energie zu speichern, um ihre Sprunghöhe zu verdoppeln, was den Fähigkeiten bodenbewohnender Insekten wie Springschwänzen entspricht.

Die Forscher hoben hervor: „Die Entwicklung adaptiver, energiearmer Maschinen. Zukünftige Versionen könnten umweltfreundlichere Komponenten verwenden, insbesondere wenn sie im Freien eingesetzt werden.

Die Forscher arbeiten auch daran, die Aktivierungstemperatur zu senken und die Art und Weise zu verfeinern, wie die Fasern mit dem Boden interagieren.“ Das langfristige Ziel ist die Entwicklung einer Reihe adaptiver, energiearmer Maschinen, die komplexe Umgebungen navigieren können, um ökologische Probleme zu lösen.

„Das übergeordnete Ziel ist es, eine Reihe kleiner, adaptiver Maschinen zu bauen, die ohne Elektronik oder externe Energiequellen in komplexen Umgebungen betrieben werden können“, schloss die Pressemitteilung.