電気接着により、ロボアリの敏捷性が向上しました

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電気接着により、ロボアリの敏捷性が向上しました
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Anonim
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アメリカと中国のエンジニアは、ポリマー材料で作られた昆虫のサイズの小型ソフトロボットのプロトタイプを開発しました。これは、静電接着の効果により、アリやゴキブリのように機敏に動くことができます。ロボットは、体の一部である圧電フィルムの振動により前進し、前脚の端にある静電パッドによって回転します。ロボットアリの脚に印加される電圧は、この場合に発生する静電力により、ロボットの脚とロボットが移動する表面との間の摩擦力を増加させることができます。テストで操作するとき、ロボットは、アリなどの一部の昆虫の特性値に近い、28体長/秒の2乗の求心加速度を達成することができました。ロボットは、迷路を通る複雑な経路に沿って移動し、小さな障害物を乗り越え、自重を超えるペイロード、たとえば、室内の有害物質の濃度を測定するガスセンサーを運ぶことができます。この記事はジャーナルScienceRoboticsに掲載されました。

エンジニアは長い間ロボットの小型化に取り組んできました。小さいサイズは、大きなデバイスがアクセスできない場所に侵入するときに明らかな利点を提供します。たとえば、ミニチュアロボットは、機器の内部診断、偵察、および地震によって破壊された建物を調査して生存者を探す救助活動に使用される予定です。

小型ロボットの多くの実用的なアプリケーションでは、速度や操作性などの特性が重要です。これにより、弾道をすばやく変更し、障害物を避け、手の届きにくい場所に登ることができます。これらのパラメータによると、多くの既存のミニロボットは、昆虫などの同様のサイズの生き物よりも劣っています。柔らかい素材で作られたロボットの場合、構造の剛性が不十分であるためにロボットの動きを正確に制御できないため、この問題はさらに深刻です。

カリフォルニア大学バークレー校のLiweiLinが率いるアメリカ人と中国人のエンジニアは、アリが移動するときに使用するのと同様の戦略を使用するソフトミニチュアロボットのプロトタイプを開発しました。これらの昆虫は、分泌物を分泌することにより、足と表面の間の摩擦力を変えることができます。このおかげで、彼らは高速で動き、簡単かつ迅速に方向を変えることができます。

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ロボットの外観、内部構造、脚の原理

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一部の生物やロボットに特徴的な求心加速度の値

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圧電効果の影響下でのロボットアクチュエータの動作原理

ロボットは、平らな本体、後脚、および脚の端にドロップ型のパッドが付いた2つの前脚で構成されており、ロボットは表面に置かれます。ロボットの本体の長さは3センチ、幅は1.5センチ、重さは65ミリグラムです。それは3つのポリマー層で構成されています:薄膜金属電極(両方の電極はチタンと金)の上下に配置された、圧電特性を持つ厚さ18マイクロメートルのポリフッ化ビニリデン(PVDF)の薄層、結合シリコーン層(25マイクロメートル)および弾力性のある構造のためのポリエチレンテレフタレート(PET)の層。共振周波数の交流電圧が体の電極に印加されると、圧電プレートは伸縮し始め、一方向または反対方向に周期的に曲がります。その結果、ロボットは前方に動き始め、下肢で表面を押し出します。

前足は、表面との接触を高めるために液滴の形をしており、上部に金属電極が堆積されたポリイミドで構成されています。後脚は、ロボットの尾に取り付けられた高さ3.5mmのPETフィルムです。制御信号は、電極に接続されたワイヤを介して供給されます。

ロボットの前脚に定電圧を印加することにより、静電力による相互引力である電着現象により、ロボットの足と表面との間の摩擦力を変化させることができます。脚の一定の張力のレベルがゼロに等しいとき、ロボアリは直線で動きます。左右の脚にかかる応力のレベルが非対称に変化すると、脚と表面の間の摩擦力の分布が非対称になり、ロボットの移動方向を制御できるようになります。

紙、金属(InSnBi合金)、およびポリ塩化ビニルポリマーの表面で実施されたテストでは、静電接着(フィートのDC電圧250ボルトで0.9ミリニュートン)による摩擦力への最大の寄与が金属表面で得られることが示されています。同時に、ポリマー表面では、表面粗さが強いため、ロボットの脚に制御応力がゼロでも高い摩擦力が得られます。

開発者は、ロボットの操作性を判断するために、さまざまな表面で一連のテストを実行しました。定量的尺度の役割として、ロボットが曲がるときに発生する求心加速度の値が選択されました。最大値は、ロボットの脚の制御電圧250ボルト、交流電圧500ボルトの振幅で金属表面で得られました。これは、1秒あたり28の体長の二乗であり、これまでに作成されたほとんどのソフトロボットよりも長く、硬い材料やアリなどの昆虫で作られた最高のロボットに匹敵します。最高の線速度は毎秒7.5体長でした。さらに、ロボットは非常に堅牢であることが証明されました。踏んだ人の体重(55kg)に耐え、その後も動き続け、高さ2.4mmの小さな障害物を乗り越えました。

さらに、開発者は、電圧源にワイヤーで接続されていないロボットの自律バージョンを提示しました。 240ミリグラムのデバイスの回路は有線バージョンと似ていますが、構造を強化するためにわずかな変更が必要です。同時に、ロボットは1.66グラムの重さの機器を運びます:40ミリアンペア時のバッテリー、2つのフォトセル、および制御回路を備えたボード。余分な重量により、ロボットの速度は毎秒約1.2体長に低下しました。体の反対側からフォトセルが接続されたアナログ回路により、レーザービームを使用してロボットの脚の電圧を制御することができます。片側からのレーザービームでフォトセルを照らすと、ロボットは反対方向に回転します。

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ロボットの自律バージョンのデバイス

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レーザービーム制御

エンジニアはまた、ロボットの実用化の例を示しました。たとえば、ロボットはペイロードとしてガスセンサーを運び、部屋のガス漏れの原因を探すことができます。実験では、ロボットはガスセンサーを使用して迷路内のエタノールの発生源を検索し、停止して、ルート上のさまざまなポイントでその濃度を測定しました。

ベルギーとフランスのエンジニアも、レーザービームを使用してロボットを制御しました。彼らのThermoBotシステムは、赤外線レーザーを使用して水面に浮かぶマイクロロボットを制御することを可能にし、加熱中の表面張力の変化による水中の熱毛管対流の出現の影響に基づいています。

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