(a) Esquema de un dispositivo de actuador suave (izquierda) y vista en despiece del dispositivo y las capas de material constituyente (derecha). (b) Esquema de depósito (impresión 3D) de hidrogel sobre la superficie de una capa de silicona después del tratamiento de la superficie y bajo exposición a la luz ultravioleta. (c) Impresión del hidrogel iónico en la capa pasiva después del tratamiento superficial (izquierda), DEA impresa en 3D final (centro), e imagen de microestructura de la sección transversal del dispositivo (derecha). Crédito:Ejército de EE. UU.
Para superar la rigidez del material y las limitaciones de actuación en los sistemas robóticos actuales, un proyecto de investigación conjunto del Laboratorio de Investigación del Ejército de EE. UU. y la Universidad de Minnesota buscó inspiración en los invertebrados.
El ejército de los EE. UU. Utiliza robots que son estructuralmente rígidos, haciéndolos poco prácticos al realizar operaciones militares en entornos urbanos muy congestionados y controvertidos, donde las maniobras encubiertas son críticas para obtener la superioridad militar.
"Las maniobras sigilosas exitosas requieren una gran flexibilidad estructural y control distributivo para colarse en espacios confinados o restringidos, operar durante períodos prolongados y emular morfologías biológicas y adaptabilidad, "dijo el Dr. Ed Habtour, Investigador de ARL que se especializa en dinámica estructural no lineal.
Según Habtour, Los robots militares actuales tienen dos limitaciones importantes que les impiden imitar la locomoción de los organismos biológicos.
Primero, estos robots carecen de la flexibilidad dinámica necesaria, ya que en su mayoría se ensamblan con componentes mecánicos y electrónicos rígidos.
Segundo, Los robots rígidos requieren mecanismos complejos y circuitos eléctricos para lograr una actuación activa y modos de movimiento complejos.
Para superar estas limitaciones, un proyecto de investigación conjunto de ARL y UMN buscó inspiración en los invertebrados.
Este esfuerzo de investigación condujo a la creación de prototipos de actuadores suaves utilizando materiales activos con parámetros notablemente ajustables. como la flexibilidad estructural, morfología y actuación dinámica.
El prototipo es el primer actuador de elastómero dieléctrico totalmente impreso en 3D, o DEA, que puede realizar un movimiento de flexión alto.
Los DEA impresos en 3-D exhibieron deflexiones significativamente mayores, tres veces más que otros ejemplos recientes en la literatura científica.
Estos resultados fueron publicados en Cartas de Mecánica Extrema (EML) en un documento titulado:"Actuadores suaves impulsados eléctricamente impresos en 3D", 2018.
"En la fase inicial del proyecto, nuestro equipo comenzó investigando nuevos métodos para emular la locomoción de los invertebrados, que proporcionó información fundamental sobre las maquinarias de sus circuitos de actuación distribuidos suaves que permiten movimientos de flexión elevados sin soporte esquelético, ", dijo el profesor Michael McAlpine de la UMN.
El Dr. Ed Habtour trabaja en la Dirección de Tecnología de Vehículos del Laboratorio de Investigación del Ejército de EE. UU., donde se especializa en sistemas dinámicos no lineales. Crédito:Foto del Ejército de EE. UU. Por Conrad Johnson
La comprensión de los mecanismos innatos de la actuación distributiva observada en la naturaleza ayudó al equipo a identificar los parámetros importantes que pueden manipularse para lograr funciones novedosas. como lograr modos de movimiento altamente flexibles.
Según McAlpine, para obtener conocimientos científicos sobre la importancia de estos parámetros, Primero fue necesario construir y probar un prototipo similar a los actuadores que se encuentran en la naturaleza a través de una plataforma de impresión 3D personalizada, y luego desarrollar un modelo matemático unificado para estudiar la sensibilidad de cada parámetro y predecir los diversos mecanismos óptimos de actuación.
Circuitos de actuación distribuida impresos UMN 3-D que involucran software Materiales extensibles con propiedades mecánicas similares a organismos biológicos como cefalópodos y gusanos.
ARL creó un modelo generalizado utilizando un enfoque de formulación energética, que fue clave para identificar dos mecanismos importantes para permitir un movimiento de alta flexión en actuadores biológicos blandos:(i) ajustar las propiedades físicas (mecánicas y geométricas) mediante la explotación de la interacción entre los materiales y las no linealidades dinámicas para aumentar el movimiento; y (ii) resaltar el acoplamiento electromecánico entre el campo eléctrico y la rigidez estructural no lineal a través de los circuitos de actuación distributiva.
"Los resultados de la investigación representan un importante trampolín para proporcionar a Solider una plataforma de fabricación autónoma de forma libre:impresora 3D de próxima generación, que puede imprimir materiales y dispositivos funcionales, para generar actuadores suaves y robots suaves potencialmente sin ataduras a pedido, sobre la marcha y en el punto de necesidad, "Habtour dijo.
Habtour señaló que la investigación también sugiere que los actuadores suaves pueden ser los principales candidatos para la fabricación aditiva autónoma en el campo de batalla.
"A diferencia de los DEA impresos en 3D actuales, el nuevo método de fabricación no requiere pasos de procesamiento posterior, como asamblea, secado o recocido, ", dijo el autor principal Ghazaleh Haghiashtiani." Con el nuevo método de impresión 3-D, el Solider puede aprovechar las propiedades de actuación únicas de los DEA suaves en el nivel de materiales fundamentales con resolución y complejidad a microescala, con experiencia previa mínima ".
En cuanto a los próximos pasos, Habtour dijo que la intención es desarrollar los principios experimentales y teóricos que gobiernan la interacción entre las interfaces internas y la cinética de interacciones en los sistemas variables en el tiempo observados en organismos biológicos. que aseguran su locomoción flexible y resiliencia.
"Las intrigantes interacciones entre las propiedades micromecánicas de los materiales y las diversas no linealidades pueden proporcionar nuevas oportunidades científicas para emular las interacciones simbióticas en los sistemas biológicos, "Habtour dijo." Si podemos entender estas interacciones, luego, podemos usar esos conocimientos para fabricar estructuras dinámicas y robots flexibles que están diseñados para ser conscientes de sí mismos, autodetectables y capaces de ajustar sus morfologías y propiedades en tiempo real para adaptarse a una miríada de condiciones externas e internas ".
Con este, Habtour afirmó que las implicaciones serán descubrir dinámicas emergentes de estructuras vivas y emularlas, fabricar estructuras y dispositivos funcionalmente complejos de forma autónoma, y la explotación de nuevos modos de actuación que no se pueden conseguir en los sistemas mecánicos y robóticos convencionales.
