Automatische Grijper Kirigami Eigeel & Co

GEAVANCEERDE FLEXIBILITEIT: Onderzoekers hebben robothandgrepen ontwikkeld die op niet-destructieve wijze zeer gevoelige items kunnen optillen of haar met precisie kunnen vastpakken. Het concept is gebaseerd op de principes van de Japanse kunst van het papier snijden, kirigami, waarbij vellen tweedimensionaal materiaal worden voorzien van snijpatronen om door middel van slepende bewegingen specifieke driedimensionale vormen te vormen. Volgens de onderzoekers biedt het systeem mogelijke toepassingen in zachte robotica en biomedische technologie.

Als je niet erg voorzichtig bent, zullen dingen die te delicaat zijn snel beschadigd raken of zul je de delicate dingen niet kunnen vangen. Helder instinct is een van de belangrijkste menselijke talenten. Het overbrengen van deze vaardigheden naar robotsystemen vormt een grote technologische uitdaging, aangezien het mogelijk is geweest om micro-gemotoriseerde robothanden te maken van zachte materialen die bijvoorbeeld zacht fruit kunnen hanteren. Tot nu toe is de gevoeligheid echter niet tot het uiterste gegaan: een geautomatiseerde koppeling kan zoiets kwetsbaars als eigeel niet op een niet-destructieve manier absorberen. Maar dat kan veranderen dankzij ontwikkelingen door een team van onderzoekers van de North Carolina State University in Raleigh.

Geïnspireerd door de kunst van het papier snijden

Geleerden werden in hun werk geïnspireerd door de Japanse kunst van kirigami. In tegenstelling tot de bekendere origami, gebruikt deze techniek niet alleen vouwen, maar ook scheren om platte materialen om te zetten in complexe driedimensionale objecten. Een bekende vorm van papiersnijkunst is de zogenaamde pop-up – dieren, gebouwen en andere structuren die verschijnen als je een kaart of boek opent. Wetenschappers hebben dit concept aangepast voor technisch gebruik.

2D-chips van verschillende plastic materialen worden door lasercutters voorzien van geavanceerde spleetstructuren om door middel van bewegingen bruikbare 3D-structuren te creëren. Die laatste vorm wordt vooral bepaald door de buitengrenzen van het materiaal. Een 2D-materiaal met cirkelvormige randen resulteert bijvoorbeeld in een 3D-bolvormige structuur. In de huidige studie introduceren de onderzoekers nu een nieuw computationeel systeem dat plotpatronen veel gemakkelijker te ontwikkelen maakt en tot complexe resultaten kan leiden.

“Onze technologie is veel eenvoudiger dan eerdere technieken om 2D-materialen om te zetten in gebogen 3D-structuren en stelt ontwerpers in staat een verscheidenheid aan aangepaste structuren te maken van verschillende 2D-materialen”, zegt senior auteur Ji Yin. Zijn collega Yaoye Hong vervolgt: “We hebben een model ontwikkeld waarmee gebruikers achteruit kunnen werken: als gebruikers weten welk type 3D-structuur ze nodig hebben, kunnen ze met onze aanpak de vorm van de randen en het patroon van sleuven bepalen die ze moeten gebruiken. in 2D-materialen”, legt de wetenschapper uit.

Nauwkeurige en precieze grip

Om het potentieel van hun techniek te demonstreren, creëerde het team een ​​handige kirigami-koppeling die kan worden bediend door een robot. “We wilden laten zien dat ons concept kan worden gebruikt om gereedschappen te produceren die zelfs zeer gevoelige objecten kunnen grijpen en verplaatsen”, zegt Yin. De clutch is gemaakt met behulp van een specifiek patroon dat is gesneden in een tweedimensionaal materiaal van flexibel plastic. Het resultaat heeft aanhangsels aan de zijkant die bij trekspanning tot een vormgevend effect leiden: er ontstaat een zakachtige structuur met een nauwkeurig gesloten snavelopening. Wanneer het systeem ontspant, gaat het weer open.

“Traditionele grijpers houden iets stevig vast – ze houden dingen vast door er druk op uit te oefenen”, zegt Yin. “Dit kan problemen veroorzaken bij het grijpen van een kwetsbaar object zoals een eigeel of een organisme. Maar onze handvatten kunnen een object voorzichtig omringen en vervolgens optillen – vergelijkbaar met de manier waarop we onze handen ergens omheen wikkelen. ” Wetenschappers hebben dit aangetoond met behulp van de grijper om de dooier van een rauw ei op te tillen Of een vis te verplaatsen of zeepbellen te verplaatsen.

Het potentieel van robotica en medicijnen

De ontwikkelaars vertrouwden erop dat het concept een soort pincetfunctie zou kunnen krijgen door een mensenhaar in het handvat te houden. Zoals ze echter uitleggen, zijn er veel andere toepassingen van dit concept mogelijk. Naast zachte robotica zien ze medische technologie als een belangrijk vakgebied. Als onderdeel van hun studie presenteren ze al een prototype van een slim aanpasbare kniewarmer. “Stel je slimme verbanden of monitoren voor die optimaal kunnen buigen en bewegen met je knie of elleboog”, zegt Yin.

Onderzoekers zullen aan dergelijke toepassingen blijven werken. “Via onze proof-of-concept-studie hebben we aangetoond dat onze technologie werkt. We zijn nu bezig om deze te integreren met zachte robottechnologieën om industriële uitdagingen aan te pakken, en werken ook aan therapeutische toepassingen”, aldus Yin. “We staan ​​ook open voor samenwerking met industriële partners om verdere toepassingen te onderzoeken en manieren te vinden om deze benadering van laboratorium naar praktijk te verplaatsen”, besluit de wetenschapper.

Bron: North Carolina State University, professioneel artikel: Nature Communications, doi: 10.1038/s41467-022-28187-x

Video: © Yin Lab @ NCSU

© wissenschaft.de – Martin Vieweg