Origami-basierte Integration von Robotern, die wahrnehmen, entscheiden und reagieren

04 (Nanowerk-Neuigkeiten) Robotiker haben eine Technik verwendet, die der alten Kunst des Papierfaltens ähnelt, um autonome Maschinen aus dünnen, flexiblen Blättern zu entwickeln. Diese leichten Roboter sind einfacher und billiger herzustellen und kompakter, um Lagerung und Transport zu erleichtern. Die starren Computerchips, die traditionell benötigt werden, um fortschrittliche Roboterfähigkeiten zu ermöglichen – das Erfassen, Analysieren und Reagieren auf die Umgebung – erhöhen jedoch das Gewicht der dünnen Plattenmaterialien und erschweren das Falten. Die halbleiterbasierten Komponenten müssen daher hinzugefügt werden, nachdem ein Roboter seine endgültige Form angenommen hat. Jetzt hat ein multidisziplinäres Team unter der Leitung von Forschern der UCLA Samueli School of Engineering eine neue Fertigungstechnik für vollständig faltbare Roboter entwickelt, die eine Vielzahl komplexer Aufgaben ausführen können, ohne auf Halbleiter angewiesen zu sein. Eine Studie mit detaillierten Forschungsergebnissen wurde in veröffentlicht Nature Communications veröffentlicht („Origami-basierte Integration von Robotern, die wahrnehmen, entscheiden und reagieren“). Ein Origami-inspirierter Roboter, der von einem UCLA-geführten Team entwickelt wurde und die Richtung umkehren kann, wenn eine seiner Antennen ein Hindernis wahrnimmt. (Wenzhong Yan, UCLA) Durch Einbetten flexibler und elektrisch leitfähiger Materialien in eine vorgeschnittene, dünne Polyesterfolie schufen die Forscher ein System von Informationsverarbeitungseinheiten oder Transistoren, die mit Sensoren und Aktoren integriert werden können. Anschließend programmierten sie das Blatt mit einfachen analogen Computerfunktionen, die denen von Halbleitern nachempfunden sind. Einmal geschnitten, gefaltet und zusammengesetzt, verwandelte sich das Blatt in einen autonomen Roboter, der seine Umgebung präzise wahrnehmen, analysieren und darauf reagieren kann. Die Forscher nannten ihre Roboter „OrigamiMechs“, kurz für Origami MechanoBots. „Diese Arbeit führt zu einer neuen Klasse von Origami-Robotern mit erweiterten Fähigkeiten und Autonomiegraden, während die günstigen Eigenschaften, die mit der Herstellung auf Origami-Faltung verbunden sind, beibehalten werden“, sagte der Hauptautor der Studie, Wenzhong Yan, ein Doktorand für Maschinenbau an der UCLA. OrigaMechs leiteten ihre Rechenfähigkeiten aus einer Kombination aus mechanischen Origami-Multiplexschaltern ab, die durch die Faltungen und programmierten booleschen Logikbefehle wie „AND“, „OR“ und „NOT“ erstellt wurden. Die Schalter ermöglichten einen Mechanismus, der elektrische Signale basierend auf dem variablen Druck- und Wärmeeintrag in das System selektiv ausgibt. Unter Verwendung des neuen Ansatzes baute das Team drei Roboter, um das Potenzial des Systems zu demonstrieren:

ein insektenähnlicher Laufroboter, der die Richtung ändert, wenn eine seiner Antennen ein Hindernis wahrnimmt

ein der Venusfliegenfalle ähnlicher Roboter, der eine „Beute“ umhüllt, wenn beide seiner Kiefersensoren ein Objekt erkennen

ein umprogrammierbarer zweirädriger Roboter, der sich entlang vorgefertigter Pfade mit unterschiedlichen geometrischen Mustern bewegen kann

Ein der Venusfliegenfalle ähnlicher Roboter, der eine „Beute“ umhüllt, wenn beide seiner Kiefersensoren ein Objekt erkennen. (Bild: UCLA) Während die Roboter für die Demonstration an eine Stromquelle angebunden waren, sagten die Forscher, das langfristige Ziel sei es, die autonomen Origami-Roboter mit einem eingebetteten Energiespeichersystem auszustatten, das von Dünnschicht-Lithiumbatterien gespeist wird. Das chipfreie Design kann zu Robotern führen, die in extremen Umgebungen arbeiten können – starke Strahlungs- oder Magnetfelder und Orte mit intensiven Hochfrequenzsignalen oder hohen elektrostatischen Entladungen – wo herkömmliche halbleiterbasierte Elektronik möglicherweise nicht funktioniert. „Diese Arten von gefährlichen oder unvorhersehbaren Szenarien, wie etwa während einer natürlichen oder von Menschen verursachten Katastrophe, könnten der Ort sein, an dem sich Origami-Roboter als besonders nützlich erweisen könnten“, sagte Studienleiter Ankur Mehta, Assistenzprofessor für Elektro- und Computertechnik und Direktor des UCLA-Labors für eingebettete Maschinen und allgegenwärtige Roboter. „Die Roboter könnten für Spezialfunktionen entworfen und sehr schnell nach Bedarf hergestellt werden“, fügte Mehta hinzu. „Obwohl es sehr weit weg ist, könnte es Umgebungen auf anderen Planeten geben, in denen Erkundungsroboter, die für diese Szenarien unempfindlich sind, sehr wünschenswert wären.“ Vormontierte Roboter, die mit dieser flexiblen Schneid- und Falttechnik gebaut wurden, könnten in flachen Verpackungen transportiert werden, um massive Platzeinsparungen zu erzielen. Das ist wichtig in Szenarien wie Weltraummissionen, wo es auf jeden Kubikzentimeter ankommt. Die kostengünstigen, leichten und einfach herzustellenden Roboter könnten auch zu innovativen Lernwerkzeugen oder neuen Arten von Spielzeug und Spielen führen.

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• Quelle: https://www.nanowerk.com/news2/robotics/newsid=62741.php