El control de lo incontrolable

Los investigadores aprovechan las respuestas inestables para construir nuevos actuadores blandos

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Crédito: Harvard Escuela John A. Paulson de Ingeniería y Ciencias Aplicadas

La inestabilidad en la ingeniería en general no es una buena cosa. Si usted está construyendo un rascacielos, inestabilidades menores podrían llevar a toda la estructura de estrellarse en una fracción de segundo. Pero lo que si un cambio rápido en forma es exactamente lo que quiere?

máquinas y robots blandos se están volviendo más y más funcional, capaz de moverse, saltar, agarrar un objeto, e incluso cambiar de color. Los elementos responsables de su movimiento de accionamiento son segmentos blandos, a menudo inflables llamados actuadores fluídicos. Estos actuadores requieren grandes cantidades de aire o agua para cambiar de forma, por lo que las máquinas lento, voluminosos y difíciles de desanudar.

Un equipo de investigadores de la Escuela John A. Paulson Harvard de Ingeniería y Ciencias Aplicadas (SEAS) ha diseñado un nuevo actuador, suave que aprovecha el poder de inestabilidad para desencadenar movimiento instantáneo.

La investigación fue dirigida por Katia Bertoldi, el Profesor Asociado John L. Loeb de las Ciencias Naturales, miembro del Instituto Kavli de BioNano Ciencia y Tecnología, y profesora asociada de la Investigación de Materiales Ciencia e Ingeniería. El trabajo se describe en un artículo en theProceedings de la Academia Nacional de Ciencias.

El actuador está inspirado en un famoso experimento de física en la que dos globos se inflan a diferentes tamaños y conectados a través de un tubo y la válvula. Cuando se abre la válvula, el aire fluye entre los globos. En lugar de igualar en tamaño, como era de esperar, el globo se infla más grande mientras el globo se desinfla más pequeño.

Este comportamiento inesperado viene de relación no lineal de los globos "entre presión y volumen, es decir, el aumento del volumen no necesariamente aumentar la presión.

"Al inflar un globo, los primeros golpes son los más difíciles, pero después de alcanzar una presión crítica se hace más fácil", dijo Johannes Overvelde, estudiante de doctorado en mares y primer autor del artículo. "Al igual que los globos, en nuestra investigación conectamos segmentos de fluidos de una manera tal que una interacción entre sus resultados de respuesta no lineales en un comportamiento inesperado. Ciertas combinaciones de estos segmentos interconectados pueden dar lugar a inestabilidades en movimiento rápido con el cambio insignificante en el volumen ".

Estas inestabilidades en rápido movimiento, denominadas inestabilidades de SNAP-a través, el gatillo grandes cambios en la presión interna, la extensión, la forma y la fuerza ejercidas, con sólo pequeños cambios en el volumen. Si se aprovechan, estas inestabilidades permitirían robots suaves para mover con rapidez sin necesidad de llevar o ser atado a un suministro de fluido.

Pero el equipo de primera Bertoldi tenía que encontrar una manera de controlar algo que, por definición, es incontrolable.

El equipo comenzó con la construcción e inflado de 36 segmentos individuales con agua, y la medición de la forma en que respondieron. Luego, utilizando un algoritmo de ordenador complejo, determinaron las respuestas de todas las combinaciones posibles de los segmentos.

Un total de 630 actuadores posible podría ser montado a partir de dos segmentos, cada uno con una respuesta combinada diferente. Algunas de las combinaciones mostraron inestabilidades, otros no lo hicieron. El equipo seleccionado la respuesta preferida para una aplicación específica. Una combinación de, por ejemplo, daría lugar a un aumento repentino de la longitud del actuador, moviéndolo como un gusano. Otra combinación sería transferir rápidamente todo el volumen de un segmento a otro.

Estos movimientos rápidos podrían activarse con pequeñas cantidades de volumen. Por ejemplo, 1 ml. de agua provocado una inestabilidad a presión a través de que resultó en un flujo de volumen interno de 20 ml.

"La belleza de estos segmentos individuales es que son fáciles y baratos de fabricar a partir de materiales fuera de la Shelve. Sin embargo, cuando se conecta segmentos se obtiene actuadores blandos con un comportamiento muy complejo ", dijo Overvelde." Mediante la conexión de múltiples segmentos, puede incrustar un programa sencillo en el actuador que es capaz de realizar una secuencia compleja de inflación local y la deflación ".

El siguiente paso es poner a prueba estas inestabilidades en robótica suaves.

"Los ingenieros han evitado la inestabilidad a largo, ya que tan a menudo representa el fracaso", dijo Bertoldi. "Es notable que la inestabilidad se ha proporcionado una forma de mejorar e impulsar el campo de los actuadores blandos hacia adelante."