В исследовании, опубликованном онлайн на этой неделе, исследователи робототехники, инженеры и материаловеды из Университета Райса и Гарвардского университета показали, что можно создавать программируемые неэлектронные схемы, которые управляют действиями мягких роботов путем обработки информации, закодированной в потоках сжатого воздуха.

"Часть красоты этой системы заключается в том, что мы действительно можем свести вычисления к ее базовым компонентам", - сказал студент колледжа Райс Колтер Декер, ведущий автор исследования в Труды Национальной академии наук. Он сказал, что электронные системы управления оттачивались и совершенствовались десятилетиями, а воссоздание компьютерных схем "с аналогами давления и расхода вместо напряжения и тока" упростило внедрение пневматических вычислений.

Декер, выпускник, специализирующийся в области машиностроения, сконструировал свою мягкую роботизированную систему управления в основном из повседневных материалов, таких как пластиковые соломинки для питья и резиновые ленты. Несмотря на свою простоту, эксперименты показали, что логические элементы системы с воздушным приводом могут быть сконфигурированы для выполнения операций, называемых булевыми функциями, которые являются основой современных вычислений.

"Цель никогда не состояла в том, чтобы полностью заменить электронные компьютеры", - сказал Декер. Он сказал, что есть много случаев, когда мягких роботов или носимые устройства нужно запрограммировать всего на несколько простых движений, и вполне возможно, что технология, продемонстрированная в статье, "будет намного дешевле, безопаснее в использовании и намного долговечнее", чем традиционные электронные элементы управления.

Будучи первокурсником, Декер начал работать в лаборатории Дэниела Престона, доцента кафедры машиностроения в Райсе. Декер изучал жидкостные системы управления и заинтересовался их созданием, когда выиграл конкурсную летнюю исследовательскую стипендию, которая позволила бы ему провести несколько месяцев, работая в лаборатории гарвардского химика и материаловеда Джорджа Уайтсайда.

Проект превратился в многомесячное сотрудничество между двумя исследовательскими группами, и у Декера было девять соавторов исследования, включая соавторов-корреспондентов Престона и Уайтсайда.

Декер и его коллеги создали два компонента: поршневой привод, преобразующий давление воздуха в механическую силу, и клапан, который можно переключать между двумя состояниями - выключенным и включенным. Компоненты были изготовлены из деталей, которые включали пластиковые соломинки для питья, гибкие пластиковые трубки, резиновые ленты, пергаментную бумагу и листы термопластичного полиуретана, которые можно было скреплять вместе с помощью настольного термопресса или горячего утюга.

Исследовательская группа показала, что два компонента могут быть объединены в одном устройстве - бистабильном клапане, который работает как переключатель и использует давление воздуха как на входе, так и на выходе. Для переключения переключателя между состояниями выкл. и вкл. требуется определенное давление воздуха. Клапаны удерживаются закрытыми резиновыми лентами, и они программируются путем добавления или вычитания резиновых лент, что изменяет величину давления, необходимого для активации. В ходе тестов Декер показал, что схемы можно использовать для управления мягким роботом в форме руки, пневматической подушкой и роботом размером с обувную коробку, который может пройти заранее запрограммированное количество шагов, достать предмет и вернуться в исходное положение.

"Самым большим достижением в этой работе является включение как цифрового, так и аналогового управления в одну и ту же системную архитектуру", - сказал Престон. Наличие обоих средств означает, что пневматические схемы управления могут быть запрограммированы в цифровом виде с помощью "единиц и нулей", о которых вы думаете в традиционном компьютере. Но мы также можем использовать аналоговые возможности, которые являются непрерывными", - сказал он. "Это позволяет нам действительно упростить общую архитектуру системы и получить новые возможности, которые были недоступны в предыдущей работе".

Редко бывает, чтобы студент был ведущим автором исследования в таком престижном журнале, как Труды Национальной академии наук, но Престон сказал, что успех Декера не был случайностью.

"Старшекурсники в Райс действительно первоклассные, и Колтер, в его случае, действительно поднялся, по сути, до того, что я бы сказал, является уровнем аспиранта с точки зрения некоторых его результатов в качестве исследователя-бакалавра", - сказал Престон.

Среди дополнительных соавторов - Хайхуэй Джой Цзян, Сэмюэл Рут, Джонатан Альварес, Джованна Трач и Лукас Вилль из Гарварда, Ануп Раджаппан из Райса и Маркус Немитц из Вустерского политехнического института.

Исследование было поддержано Министерством энергетики (DE-SC0000989), Национальным научным фондом (2144809, 2011754, 2025158), Академией стипендиатов Университета Райса и Центром наноразмерных систем Гарвардского университета.

Видео: https://youtu.be/0D22s2cMlxc