3D-Strickroboter

Apr 27, 2023

Weiche Robotik hat gegenüber starren Gegenstücken mehrere entscheidende Vorteile, darunter ihre inhärenten Sicherheitsmerkmale – weiche Materialien mit Bewegungen, die durch das Aufblasen und Entleeren von Luftkammern angetrieben werden, können sicher in empfindlichen Umgebungen oder in der Nähe von Menschen eingesetzt werden – sowie ihre Flexibilität, die es ihnen ermöglicht, sich anzupassen in enge Räume. Textilien sind zu einem bevorzugten Material für den Bau vieler Arten von Soft-Robotern geworden, insbesondere von Wearables, aber die traditionellen „Schneiden und Nähen“-Herstellungsmethoden lassen viel zu wünschen übrig.

Jetzt haben Forscher der Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) einen neuen Ansatz für die additive Fertigung weicher Roboter entwickelt. Dabei nutzen sie eine 3D-Strickmethode, mit der ganze weiche Roboter ganzheitlich „gedruckt“ werden können. Über ihre Arbeit wird in Advanced Functional Materials berichtet.

„Die Soft-Robotik-Community befindet sich immer noch in der Phase der Suche nach alternativen Materialansätzen, die es uns ermöglichen, über klassische starre Roboterformen und -funktionen hinauszugehen“, sagt Robert Wood, leitender korrespondierender Autor des Papiers, der Harry Lewis und Marlyn McGrath ist Professor für Ingenieurwissenschaften und angewandte Wissenschaften an der SEAS.

„Textilien sind attraktiv, da wir ihre strukturellen Eigenschaften durch die Wahl der Fasern, aus denen sie bestehen, und durch die Art und Weise, wie diese Fasern miteinander interagieren, radikal anpassen können“, sagt Wood.

„Mit der Methode des „Schneidens und Nähens“ müssen Sie große Bahnen aus textilem Material herstellen, die Sie dann in Muster schneiden, die durch Nähen oder Kleben zusammengesetzt werden – und das erfordert typischerweise ein hohes Maß an menschlicher Arbeit“, sagt Vanessa Sanchez, Erstautorin auf dem Papier und ein ehemaliger Ph.D. Student in Woods Labor. „Jede Naht verursacht zusätzliche Kosten und potenzielle Fehlerquellen. Bei der Herstellung komplexer Robotergeräte kann dies eine große Herausforderung sein.“

Sanchez war vom Konzept des 3D-Strickens fasziniert, mit dem nahtlose Kleidungsstücke mit wenig Materialabfall hergestellt werden können. Sie fragte sich, ob die Methode angepasst werden könnte, um textilbasierte Soft-Roboter zu schaffen.

Das Team erwarb eine alte Lochkarten-Strickmaschine und Sanchez knüpfte Kontakte zu Strickexperten der Rhode Island School of Design und der Parsons School of Design and Fashion Institute of Technology.

Um den Strickprozess zu automatisieren, mussten Sanchez und das Team außerdem eine Software entwickeln, die die Strickausrüstung – oft mehrere Jahrzehnte alte Maschinen – anweisen konnte, komplexe Strukturen aus verschiedenen Garnarten herzustellen. „In einem Fall musste ich die Maschine mithilfe eines Softwareprogramms dazu verleiten, zu glauben, mein Computer sei eine Diskette“, sagt Sanchez. Nachdem die ersten Experimente vielversprechend waren, wechselte das Team zu einer moderneren, automatisierten Maschine.

James McCann, Assistenzprofessor am Carnegie Mellon Robotics Institute, arbeitete an der Software mit. „Das Team wollte eine breite Palette weicher Aktuatoren entwickeln und charakterisieren – sie erstellten nicht nur ein Muster, sondern eine ganze Reihe parametrischer Muster“, sagt McCann. „Das ist mit traditioneller Strickdesign-Software schwer zu bewerkstelligen, die sich im Allgemeinen auf die manuelle Entwicklung einzelner Ergebnisse konzentriert und nicht auf leicht anpassbare parametrische Ausgabefamilien.“

Um einen Workaround zu schaffen, beschrieb das Team die 3D-Muster mithilfe eines „Knitout“-Dateiformats – einer Strickbeschreibung, die in allgemeinen Programmiersprachen geschrieben wurde – und entwickelte dann Code, um diese Knitout-Beschreibungen zu übersetzen, damit sie auf der gewünschten Strickmaschine ausgeführt werden können.

„Das Coole an der Entwicklung parametrischer Muster in einem generischen Strickformat wie Knitout ist, dass andere Gruppen mit unterschiedlichen Arten von Strickmaschinen dieselben Muster verwenden und darauf aufbauen können, ohne großen Übersetzungsaufwand“, sagt McCann.

Nach der Einrichtung ihres 3D-Strickprozesses führten Sanchez und seine Mitarbeiter eine Reihe von Experimenten durch, um erstmals eine umfassende Wissensbibliothek darüber zu erstellen, wie sich verschiedene Strickparameter auf die mechanischen Eigenschaften des resultierenden Materials auswirken. Das Team testete 20 verschiedene Kombinationen aus Garn, Struktur und mehr und charakterisierte, wie sich unterschiedliche Strickarchitekturen auf das Falten und Entfalten, die Strukturgeometrie und die Zugeigenschaften auswirken.

Mithilfe von Kombinationen dieser Strukturen demonstrierten sie viele verschiedene Strickroboter-Prototypen, darunter verschiedene Arten von Greifvorrichtungen mit Biege- und Greifansätzen, eine Mehrkammerklaue, einen Raupenroboter und einen schlangenähnlichen Aktuator, der in der Lage ist, viele Objekte aufzunehmen schwerer als das Gerät selbst.

„Wir wollten eine Bibliothek erstellen, aus der Ingenieure bei der Entwicklung verschiedener Soft-Roboter schöpfen können, also haben wir die mechanischen Eigenschaften vieler verschiedener Strickwaren charakterisiert“, sagt Sanchez. „3D-Stricken ist eine neue Art, über additive Fertigung nachzudenken, darüber, wie man Dinge herstellen kann, die neu konfiguriert oder neu eingesetzt werden können. Es gibt bereits Industriemaschinen, die diese Art der Fertigung unterstützen – mit diesem ersten Schritt glauben wir, dass unser Ansatz skalierbar und umsetzbar ist.“ aus dem Labor.“

„Ich stelle mir vor, dass programmierbare Textilien einen ähnlichen Einfluss auf die Herstellung von Soft-Robotern haben werden wie faserverstärkte Verbundwerkstoffe auf den Bau von Hochleistungsflugzeugen und -autos“, sagt Wood.

Weitere Autoren des Artikels sind Kausalya Mahadevan, Gabrielle Ohlson, Moritz A. Graule, Michelle C. Yuen, Clark B. Teeple, James C. Weaver und Katia Bertoldi.

Diese Arbeit wurde von der National Science Foundation (Zuschuss-Nr. EFMA-1830901, DMR-1420570, 1955444 und DMR-2138020), dem Army Research Office (Zuschuss-Nr. W911NF-22-1-0219), Harvard SEAS und dem unterstützt Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering, ein National Defense Science and Engineering Graduate Fellowship und ein National GEM Consortium Fellowship.

Themen:Robotik

Treten Sie der Harvard SEAS-Mailingliste bei.

Harry Lewis und Marlyn McGrath Professor für Ingenieurwissenschaften und angewandte Wissenschaften

William und Ami Kuan Danoff Professor für Angewandte Mechanik

Paul Karoff

SEAS-Studenten präsentieren Prototypen für verschiedene medizinische Herausforderungen

Akademiker, Bioingenieurwesen, Informatik, Materialwissenschaft und Maschinenbau, Optik/Photonik, Robotik, Technologie

Ein Robotergerät zur Verbesserung des Gangs nach einem Schlaganfall könnte es Spaziergängern ermöglichen, bei ihrer täglichen Arbeit davon zu profitieren

Bioingenieurwesen, Elektrotechnik, Gesundheit/Medizin, Materialien, Materialwissenschaft und Maschinenbau, Robotik

SEAS feiert die Studienleistungen und Clubs von Studenten mit einer jährlichen Messe

Akademiker, REEF Makerspace, Informatik, Design, Elektrotechnik, Materialwissenschaft und Maschinenbau, Robotik, Studentenorganisationen, Technologie