Команда исследователей из США и Германии использовала гидравлический принцип работы ног пауков для создания сверхлёгкого электрогидравлического привода и трёхпалового мягкого захвата.
Членистоногие и моллюски — частый источник вдохновения при создании манипуляторов роботов. Например, в августе 2016 года инженеры Гарвардского университета создали первого в мире автономного мягкого робота-осьминога. Через два года американские исследователи сделали мягкого паука, двигающегося за счёт системы микрофлюидных каналов и камер, через которые поступает кислород для движения.
В новом исследовании инженеры Колорадского университета в Боулдере (США) и Института интеллектуальных систем им. Макса Планка в Германии использовали гидравлику ног пауков для разработки мягкого робота.
Вопреки расхожему мнению, мышцы в ногах пауков присутствуют. Суставы, соединяющие ноги с туловищем, обладают сгибательными и разгибательными мышцами, суставы лап — только сгибательными. Выпрямление лап происходит под давлением гемолимфы, силу которого контролируют сгибательные мышцы. Под разным давлением угол наклона суставов меняется. Когда паук теряет гемолимфу или умирает, давление падает и лапки поджимаются к брюшку.
Исследователи перенесли гидравлический принцип работы лап пауков на своё устройство. Авторы сконструировали мягкий электрогидравлический привод из гибкого резервуара с жидким диэлектриком и двумя подключёнными на противоположных сторонах электродами и прикрепили его на основу из пластика.
Электроды интегрированы в жидкий диэлектрик. При подаче высокого напряжения (киловольты) тензор напряжений Максвелла заставляет электроды сжиматься, создавая давление и перекачивая жидкость в область, не покрытую электродом (обозначена как r на схеме выше). В итоге гидростатическое давление и вызывает сгибание сустава. Сустав сгибается активнее по мере повышения напряжения.
Исследователи сравнили потребляемые мощности SES и сервопривода с аналогичной номинальной мощностью. Оба привода выполнили тесты на удержание одинакового веса: фиксация на 0°, потом перемещение и удержание веса под углом 25° в течение нескольких секунд, возвращение на 0°. При перемещении на угол 25° сервопривод тянул 450 мВт, SES в несколько раз меньше — 80 мВт. При удержании на 25° сервоприводу потребовалось 140 мВт, в то время как SES — меньше 1 мВт. На угле 0° сервопривод продолжил потреблять около 80 мВт, в то время как энергия из SES могла быть возвращена в систему путем реализации схемы восстановления заряда.
После проверок SES исследователи экспериментировали с совмещением приводов в различные роботизированные устройства. Самыми первыми появились подпрыгивающие роботы и роботы, встающие на ноги под действием гидравлического привода.
Следующим этапом стало создание трёхпалого захвата. Каждый конический «лепесток» захвата содержит по три привода, соединённых общим внутренним электродом (заземление) и внешними независимыми электродами. Самый большой привод расположен в основании конструкции, чтобы поддерживать крутящий момент для подъема остальных приводов. При отсутствии нагрузки устройство сгибалось до угла 180° и поднималось над поверхностью, если его повернуть внутренней стороной к поверхности.
Исследователи собрали «лепестки» в трёхпалый роботизированный захват и добавили на концы деформируемый эффектор. Он обеспечивал большую площадь контакта при захвате и поверхность трения. Захват собирал предметы разной жёсткости и веса: клубника (18 г), яблоко (170 г) и кружка (270 г). В горизонтальной ориентации устройство собирало клубнику с сигналом напряжения 6 кВ, в вертикальной ориентации — на 8 кВ для всех типов предметов, не требуя при этом сенсорной обратной связи.
Авторы отмечают, что полученный механизм работы позволяет создавать конструкции с разной геометрией и характеристиками срабатывания. Они ставят целью создание полноценного робота-паука на основе электрогидравлических приводов и его интеграцию в любой тип робота.
По словам исследователей, приводы SES пригодятся и для производства роботизированных устройств размером в несколько сантиметров с ограниченной площадью для установки механизмов. SES потребляет в несколько раз меньше энергии, чем сервоприводы с аналогичной номинальной мощностью, что также даёт им огромное преимущество в разработке мягкой робототехники.
