Khớp nối điện thủy lực mềm mô phỏng chân nhện cho robot

Khai thác nguyên tắc khớp chi của nhện, nhóm nhà khoa học tại Viện Max Planck về Hệ thống Thông minh ở Đức và Đại học Boulder ở Colorado, Mỹ tìm được phương pháp mới, có thể điều khiển khớp nối robot mà không cần các bộ phận và đầu nối cồng kềnh.

Cấu trúc đơn giản mảnh và nhẹ của bộ phận chuyển động mô phỏng chi nhện rất mạnh mẽ, cho phép một robot nhảy cao gấp 10 lần chiều cao thiết bị.

Những khớp nối mềm điện thủy lực mô phỏng theo chân nhện (spider), gọi tắt là khớp SES có hiệu suất hoạt động rất cao. Những khớp nối này được sử dụng trong nhiều cấu hình khác nhau. Trong nghiên cứu, các nhà khoa học đã giới thiệu khớp hai chiều, một chi nhân tạo nhiều đoạn và một kẹp ba ngón có thể dễ dàng gắp kẹp các đồ vật.

Khớp nối mềm SES hai chiều mô phỏng chân nhện.

Tất cả các nguyên mẫu của phát minh này đều có trọng lượng nhẹ, thiết kế đơn giản và hiệu suất cao, lý tưởng cho những hệ thống robot cần di chuyển nhanh và tương tác với nhiều môi trường hoạt động khác nhau.

Các nhà khoa học phát triển các khớp SES trên cơ sở công nghệ HASEL, được phát minh để xây dựng cơ nhân tạo. Những khớp SES mô phỏng cơ chế xương ngoài lấy cảm hứng từ chân nhện bao gồm cả các phần cứng và mềm, hoạt động tương tự như chân động vật bằng điện thủy lực.

Nhóm nghiên cứu chế tạo hộp linh hoạt bằng nhựa màng mỏng (polyester hoặc polypropylene) chứa đầy chất điện môi lỏng - một loại dầu có nguồn gốc từ thực vật. Sau đó, các điện cực được gắn hai bên của hộp nhựa mềm. Những hộp nhựa chứa đầy chất lỏng này đóng vai trò bộ truyền động, năng lượng thủy lực được tạo ra thông qua lực tĩnh điện. Hộp nhựa gắn với một khớp quay. Khi truyền điện áp cao vào các điện cực, lực tĩnh điện làm cho chất điện môi lỏng dịch chuyển trong túi khiến khớp bị uốn. Những khớp nối SES có thể xoay tới 70 độ, có mômen xoắn cao, có thể khôi phục trạng thái ban đầu khi ngắt điện.

Christoph Keplinger, Giám đốc Phòng Vật liệu Robot tại Viện Max Planck cho biết: “Những khớp nối SES đơn giản và nhẹ, không có các bộ phận ngoại vi nào tăng trọng lượng lên robot. Các robot mềm yêu cầu bộ truyền động linh hoạt. những khớp nối mô phỏng chân nhện có chức năng hoạt động cao và tiêu thụ ít điện năng, chế tạo và giá thành thấp, vật liệu là loại nhựa sử dụng để đóng gói thực phẩm, do đó dễ dàng mở rộng sản xuất theo yêu cầu thị trường. Những tính năng kỹ thuật này có ý nghĩa quan trọng trong việc thiết kế robot, cho phép robot di chuyển theo nhiều cách khác nhau và thao tác với nhiều loại đối tượng mà không lo gẫy vỡ".

Kẹp ba ngón là một ứng dụng mà nhóm đã sử dụng các khớp SES để giới thiệu linh hoạt của thiết kế. Nếu sử dụng bộ kẹp có cấu trúc tương tự như cơ bắp gặp nhiều khó khăn do cần không gian rộng. Sử dụng khớp SES cho bộ kẹp cần không gian nhỏ hơn.

Kép ba ngón, sử dụng khớp nối mềm kẹp giữ vật thể.

Nicholas Kellaris, tác giả của nghiên cứu cho biết, có thể sử dụng nhiều loại vật liệu khác nhau như nhựa dân dụng mềm thông thường. Những vật liệu này tạo ra SES với nhiều dạng hình học khác nhau với các đặc tính truyền động được điều chỉnh cụ thể".

Mục tiêu của công trình nghiên cứu không phải tạo ra một robot nhện mà là khớp hoạt động linh hoạt, có thể lắp vào bất kỳ loại robot nào. Phát minh đặc biệt có ý nghĩa với các robot nhỏ cấp cm, không gian hoạt động hạn chế. Đối với công nghệ người máy mềm, phát minh này thực sự là một bước tiến nhảy vọt.