Luftbetriebener Roboter benötigt keine Elektronik

Ingenieure haben einen vierbeinigen weichen Roboter geschaffen, der keine Elektronik benötigt, um zu funktionieren. Der Roboter benötigt nur eine konstante Druckluftquelle für alle seine Funktionen, einschließlich seiner Steuerungen und Fortbewegungssysteme. Zu den Anwendungen gehören Roboter, die in Umgebungen eingesetzt werden können, in denen die Elektronik nicht funktionieren kann, wie z. B. MRT-Geräte oder Minenschächte. Weiche Roboter sind von besonderem Interesse, da sie sich leicht an ihre Umgebung anpassen und sicher in der Nähe von Menschen operieren.

Die meisten Softroboter werden mit Druckluft betrieben und von elektronischen Schaltkreisen gesteuert. Aber dieser Ansatz erfordert komplexe Komponenten wie Leiterplatten, Ventile und Pumpen, die oft außerhalb des Roboterkörpers liegen. Diese Komponenten, die das Gehirn und das Nervensystem des Roboters bilden, sind normalerweise sperrig und teuer. Im Gegensatz dazu wird der neue Roboter von einem leichten, kostengünstigen System pneumatischer Kreisläufe gesteuert, das aus Schläuchen und weichen Ventilen an Bord des Roboters selbst besteht. Der Roboter kann auf Befehl oder als Reaktion auf Signale aus der Umgebung gehen.

Lesen Sie ein Q&A mit dem Forscher

UCSD-Ingenieur Dylan Drotman erzählt Tech Briefs wo dieser Robotertyp verwendet werden kann und wie er möglicherweise viel mehr als nur laufen kann.

Die Rechenleistung des Roboters ahmt grob die Reflexe von Säugetieren nach, die von einer neuronalen Reaktion der Wirbelsäule und nicht des Gehirns angetrieben werden. Das Team ließ sich von neuronalen Schaltkreisen inspirieren, die man in Tieren findet, sogenannte zentrale Mustergeneratoren, die aus sehr einfachen Elementen bestehen, die rhythmische Muster erzeugen können, um Bewegungen wie Gehen und Laufen zu steuern. Um die Funktionen der Generatoren nachzuahmen, baute das Team ein System von Ventilen, die als Oszillatoren fungieren und die Reihenfolge steuern, in der Druckluft in die luftbetriebenen Muskeln in den vier Gliedmaßen des Roboters eintritt. Die Forscher bauten eine Komponente, die den Gang des Roboters koordiniert, indem sie das Einblasen von Luft in die Beine des Roboters verzögert. Der Gang des Roboters wurde von Seitenhalsschildkröten inspiriert.

Der Roboter ist auch mit einfachen mechanischen Sensoren ausgestattet – kleine, mit Flüssigkeit gefüllte, weiche Blasen, die am Ende von Auslegern platziert sind, die aus dem Körper des Roboters herausragen. Wenn die Blasen niedergedrückt werden, dreht die Flüssigkeit ein Ventil im Roboter um, das bewirkt, dass er die Richtung umkehrt. Der Roboter ist mit drei Ventilen ausgestattet, die als Inverter fungieren, die bewirken, dass sich ein Hochdruckzustand mit einer Verzögerung an jedem Inverter im druckluftbetriebenen Kreislauf ausbreitet.

Jedes der vier Beine des Roboters hat drei Freiheitsgrade, die von drei Muskeln angetrieben werden. Die Beine sind um 45 Grad nach unten abgewinkelt und bestehen aus drei parallelen, verbundenen pneumatischen zylindrischen Kammern mit Faltenbälgen. Wenn eine Kammer unter Druck gesetzt wird, biegt sich das Glied in die entgegengesetzte Richtung. Infolgedessen sorgen die drei Kammern jedes Glieds für die zum Gehen erforderliche mehrachsige Biegung. Die Forscher paarten Kammern von jedem Bein diagonal gegenüber, um das Kontrollproblem zu vereinfachen.

Ein weiches Ventil schaltet die Drehrichtung der Gliedmaßen zwischen links und rechts um. Dieses Ventil fungiert als sogenannter zweipoliger Umschalter mit Verriegelung – ein Schalter mit zwei Eingängen und vier Ausgängen, sodass jeder Eingang zwei entsprechende Ausgänge hat, mit denen er verbunden ist. Dieser Mechanismus ist ein bisschen so, als würde man zwei Nerven nehmen und ihre Verbindungen im Gehirn vertauschen.

Die Forscher wollen den Gang des Roboters verbessern, damit er auf natürlichem Gelände und unebenen Oberflächen gehen und so über eine Vielzahl von Hindernissen navigieren kann. Dies würde ein ausgeklügelteres Netzwerk von Sensoren und ein komplexeres pneumatisches System erfordern. Das Team wird auch untersuchen, wie die Technologie verwendet werden könnte, um Roboter zu entwickeln, die teilweise durch pneumatische Schaltkreise für einige Funktionen wie das Gehen gesteuert werden, während traditionelle elektronische Schaltkreise höhere Funktionen übernehmen.