מבנים משנים צורה: עתיד החדשנות הרובוטית

חוקרים מהאקדמיה הסינית למדעים פיתחו בי-סטבל אולטרה-מתכוונן הניתן להתאמה אישית עבור יישומים רובוטיים שונים.

ניתן להתאים את המבנים בתצורות גיאומטריות שונות, ממדים, חומרים ושיטות הפעלה לשימוש ביישומים רובוטיים.

על ידי עיצוב מחדש של המבנה ממצב גרם-יציב לכל מצב ביניים, מחסום האנרגיה פוחת, מה שמאפשר לגירויים חיצוניים קטנים יותר להפעיל מעבר מהיר. הצוות הדגים את יכולת הכוונון של המבנה עם אבות טיפוס שונים, כולל מלכודת זבובים רובוטית, תפסנים, מגשר, שחיין, מתג תרמי ומערכת מיון. עבודה זו עשויה להוביל להתקדמות ברובוטיקה, הנדסה ביו-רפואית, ארכיטקטורה ואמנות קינטית. (אמנות פרקטלית מופשטת המייצגת מבנים משנים צורה.)

מבנים ביסטיים ניתנים לכוונון במיוחד שפותחו עבור יישומים רובוטיים אוניברסליים

חוקרים סינים פיתחו מבנה בי-יציב מתכוונן במיוחד עם תכונות הניתנות להתאמה אישית עבור יישומים רובוטיים, המספקים כוחות טריגר מתכווננים והדגמת שימושים פוטנציאליים במגוון תחומים.

אין דומה למבנים ביסטיים בטבע בתגובתם המהירה והגברת הכוח אפילו עם הגירוי הפיזי הקטן ביותר. רתימת ביסטיות וחוסר יציבות לשחרור מהיר של האנרגיה האצורה במבנים בי-יציבים יכולה לשפר את ביצועי הרובוט בכמה תחומים, למשל, תנועה מהירה, חישה אדפטיבית ואחיזה מהירה.

עם זאת, עבודות נוכחיות על מבנים בי-יציבים מתמקדות בעיקר במצבים היציבים שלהם, בעוד שמצבי ביניים עם מגוון גדול של מחסומי אנרגיה הניתנים לכוונון חסרים במחקרים הנוכחיים.

מבנים בי-יציבים טבעיים מגבירים את הכוח ומגיבים במהירות לכניסות קטנות. ניצול הביסטיות וחוסר היציבות המובנה שלהם יכול לשפר את ביצועי הרובוט. עם זאת, מחקרים על מבנים בי-יציבים מתייחסים בעיקר למצבים יציבים, תוך שהם מזניחים מצבי ביניים עם מחסומי אנרגיה ניתנים לכוונון.

צוות מחקר בראשות ד"ר LI Yingtian מהמכון לטכנולוגיה מתקדמת של שנזן (SIAT) של האקדמיה הסינית למדעים פיתח מבנה בי-יציב אולטרה-מתכוונן הכולל מחסומי אנרגיה הניתנים לתכנות וכוחות טריגר עם הבדלים של מספר סדרי גודל. המבנים ניתנים להתאמה אישית עבור יישומים רובוטיים שונים עם תצורות, חומרים ושיטות הפעלה מגוונות.

המבנה הבי-יציב התפתח על ידי קיפול חומר יריעה עם דפוס קמט מסוים. יש לו מצבי ביניים יציבים, מטא-יציבים והרבה. במהלך המעבר ממצב metstable למצב יציב, הושגה נקודה קריטית שבה אנרגיית המתח האצורה נמצאת בשיאה, מה שגורם למעבר מהיר. העבודה דיווחה על מחסומי אנרגיה הניתנים לתכנות עבור מצבי ביניים רבים לפני שהמבנה הבי-יציב מגיע לנקודה הקריטית שלו. עיצוב מחדש ממצב מט-יציבים למצב ביניים מוריד את מחסום האנרגיה, ודורש גירויים חיצוניים קטנים יותר כדי להפעיל את ההצמדה. ירידה במחסום האנרגיה מובילה לגירוי עדין יותר, וכתוצאה מכך מגוון רחב של כוחות טריגר מתכווננים עבור המבנה הבי-יציב הניתן לשליטה.

החוקרים הראו יכולת כוונון על ידי עריכת ניסויים שכוונו את כוח ההדק ל-0.1% מהערך המרבי והשיגו עלייה של פי 107 במשקל המורם עם תפסים העשויים ממבנים מוצעים עם פרמטרים שונים. ניתן לכוון את המבנה למצב רגיש במיוחד המגיב לגירוי עדין או לא רגיש שבו כדור פלדה של 110 גרם אינו יכול לשבור את מחסום האנרגיה שלו. אבות טיפוס שונים פותחו כדי להציג את הפוטנציאל של המבנה ביישומים שונים, כגון מלכודת זבובים רובוטית, תפסנים, מגשר, שחיין, מתג תרמי ומערכת מיון. אבות הטיפוס מדגימים את הרגישות של לוכד הזיפים, את יכולת המהירות הגבוהה של הלוכד ואת גובהו המרשים של הקופץ.

המגוון הרחב של יישומים עבור המבנה המוצע מציג את הביצועים המעולים שלו. החוקרים מאמינים שעבודה זו יכולה להרחיב את הגבולות של תכנון מבנים בי-יציבים ולהוות השראה לעיצובים עתידיים בתחומים כמו רובוטיקה, הנדסה ביו-רפואית, אדריכלות ואמנות קינטית.

Reference: “Ultra-tunable bistable structures for universal robotic applications” by Yongkang Jiang, Yingtian Li, Ke Liu, Hongying Zhang, Xin Tong, Diansheng Chen, Lei Wang and Jamie Paik, 18 April 2023, Cell Reports Physical Science. DOI: 10.1016/j.xcrp.2023.101365

מחקר זה פורסם בכתב העת Cell Reports Physical Science ב-18 באפריל.