Kleine rubberen balletjes die gebruikt worden om een ​​programmeerbare vloeistof te maken

Het bouwen van een robot die kwetsbare voorwerpen zoals eieren of bessen kan oppakken zonder ze te pletten, vereist veel besturingsalgoritmen die het voer verwerken van geavanceerde vision-systemen of sensoren die het menselijke tastgevoel nabootsen. De andere manier was om je te verdiepen in de wereld van zachte robotica, wat meestal een robot betekent met beperkte sterkte en duurzaamheid.

Nu heeft een team van onderzoekers van de Harvard Universiteit een onderzoek gepubliceerd waarin ze een eenvoudige hydraulische koppeling gebruikten, zonder sensoren en helemaal zonder controlesystemen. Het enige wat ze nodig hadden was siliconenolie en heel veel kleine rubberen balletjes. Daarbij ontwikkelden ze een metavloeistof met een programmeerbare reactie op druk.

Rubberen ballen om te zwemmen

“Ik heb in Frankrijk gepromoveerd op de manier waarop een bolvormige schaal zwemt. Om hem te laten zwemmen, moesten we hem laten instorten [inverted] ‘Kwallen’, zegt Adel Jalouli, onderzoeker in Bertoldi’s groep aan de Harvard Universiteit en hoofdauteur van het onderzoek. “Ik zei tegen mijn manager: wat als ik deze bal in een injectiespuit stop en de druk opvoer?” Hij zei dat het geen interessant idee was en dat dit niets zou opleveren, zoals Jalouli beweert. Maar een paar jaar later, na verschillende afwijzingen, ontmoette Jalouli Benjamin Goresen, hoogleraar werktuigbouwkunde aan de Universiteit van Leuven in België, die zijn interesses deelde. “Ik kon experimenten uitvoeren, hij kon simulaties uitvoeren, dus we dachten dat we samen iets konden voorstellen”, zegt Jalouli. En zo kwam de rubberen bal van Jelloly uiteindelijk in de spuit. De resultaten waren volkomen onverwacht.

De bal heeft een straal van 10 mm en de 2 mm dikke siliconenrubberen wanden omringen een luchtzak. Het werd in een kom met 300 ml water geplaatst. Toen de druk in de container begon toe te nemen, begon de bal bij 120 kPa te knikken. Toen het eenmaal begon te knikken, bleef de druk een tijdje relatief constant, ook al bleef het volume dat door de vloeistof werd ingenomen, afnemen. De vloeistof waarin de bal zich bevond, gedroeg zich niet langer als water, maar had eerder een uitgesproken plateau in de druk/volume-curve. “Metafluiden – vloeistoffen met afstembare eigenschappen die in de natuur niet voorkomen – zijn getheoretiseerd door… Federico Capasso en collega'sDie een vloeistof met een negatieve brekingsindex wilde verkrijgen. Ze begonnen destijds met optica, maar toen we naar het gedrag van water met deze rubberen bal keken, wisten we dat we een metafluïde vloeistof hadden.

Programmeerbare vloeistofmenging

Het plaatsen van een enkele rubberen bal in het water was slechts een startpunt. “Ik had altijd het idee in mijn achterhoofd: wat zou er gebeuren als ik er te veel van zou stoppen?” Jalouli vertelde Ars. Dus begon zijn team te experimenteren met verschillende maten en aantallen ballen in het medium en verschillende media te gebruiken, zoals siliconenolie. “Je kunt de druk waarbij de ballen worden geactiveerd aanpassen door hun straal en de dikte van hun wanden te veranderen. Als je de ballen dikker maakt, heb je meer energie nodig om ze te laten draaien, waardoor de activeringsdruk hoger zal zijn”, legt Jalouli uit.

Er zijn andere parameters die kunnen worden gewijzigd om de gewenste eigenschappen in de metavloeistof te programmeren. Dit omvat de volumefractie – dat is in feite hoeveel van het totale vloeistofvolume de ballen absorberen – en de structuur van de ballen, waarbij de vloeistof zich anders gedraagt ​​als je er ballen van verschillende groottes en diktes in stopt. Je kunt dit ook aanpassen door een combinatie van domeinen met verschillende eigenschappen te gebruiken. “Als de variatie in grootte en dikte van de bollen te smal is, zul je een zeer vlak drukplateau hebben wanneer je ze activeert. Als je een bredere verdeling hebt, zal de overgang van alle gespen naar alle gespen soepeler zijn”, zegt Jalouli maakt het ook mogelijk om meerdere plateaus te bereiken bij verschillende drukken in één vloeistof: “Op deze manier kun je de druk-/volumecurve nauwkeurig afstemmen”, voegt Jalouli toe.

Door die curven aan te passen, kon zijn team een ​​slimme hydraulische koppeling bouwen die werkt zonder dat er sensoren of controlesystemen nodig zijn.