Kleine Gummibälle zur Herstellung einer programmierbaren Flüssigkeit

Der Bau eines Roboters, der empfindliche Objekte wie Eier oder Beeren aufnehmen kann, ohne sie zu zerdrücken, erfordert viele Steueralgorithmen, die Daten von fortschrittlichen Bildverarbeitungssystemen oder Sensoren verarbeiten, die den menschlichen Tastsinn nachahmen. Der andere Weg bestand darin, in die Welt der Soft-Robotik einzutauchen, was normalerweise einen Roboter mit begrenzter Stärke und Haltbarkeit bedeutet.

Jetzt hat ein Forscherteam der Harvard University eine Studie veröffentlicht, in der sie eine einfache hydraulische Kupplung ohne Sensoren und ohne jegliche Steuerungssysteme verwendeten. Alles, was sie brauchten, war Silikonöl und viele kleine Gummibälle. Dabei entwickelten sie ein Meta-Fluid mit einer programmierbaren Reaktion auf Druck.

Gummibälle zum Schwimmen

„Ich habe in Frankreich darüber promoviert, wie eine Kugelschale schwimmen kann, indem wir sie zusammenbrechen lassen [inverted] „Quallen“, sagt Adel Jalouli, Forscher in Bertoldis Gruppe an der Harvard University und Hauptautor der Studie. „Ich sagte zu meinem Manager: Was wäre, wenn ich diesen Ball in eine Spritze stecke und den Druck erhöhe?“ Er sagte, es sei keine interessante Idee und dass dies nichts bringen würde, wie Jalouli behauptet. Doch einige Jahre später, nach mehreren Ablehnungen, traf Jalouli Benjamin Goresen, einen Professor für Maschinenbau an der Universität Leuven in Belgien, der seine Interessen teilte. „Ich konnte Experimente durchführen, er konnte Simulationen durchführen, also dachten wir, wir könnten gemeinsam etwas vorschlagen“, sagt Jalouli. Und so gelangte der Gummiball von Jelloly endlich in die Spritze. Die Ergebnisse waren völlig unerwartet.

Der Ball hat einen Radius von 10 mm und seine 2 mm dicken Wände aus Silikonkautschuk umgeben eine Lufttasche. Es wurde in eine Schüssel mit 300 ml Wasser gegeben. Als der Druck im Behälter zu steigen begann, begann die Kugel bei 120 kPa einzuknicken. Sobald es zu knicken begann, blieb der Druck eine Zeit lang relativ konstant, obwohl das von der Flüssigkeit eingenommene Volumen immer weiter abnahm. Die die Kugel enthaltende Flüssigkeit verhielt sich nicht mehr wie Wasser, sondern wies ein ausgeprägtes Plateau in der Druck-Volumen-Kurve auf. „Metafluide – Flüssigkeiten mit einstellbaren Eigenschaften, die es in der Natur nicht gibt – wurden theoretisiert von … Federico Capasso und KollegenWer wollte eine Flüssigkeit mit negativem Brechungsindex erhalten? Sie begannen damals mit der Optik, aber als wir uns das Verhalten von Wasser mit diesem Gummiball ansahen, wussten wir, dass es sich um eine metafluide Flüssigkeit handelte.

Programmierbare Flüssigkeitsmischung

Einen einzelnen Gummiball ins Wasser zu werfen, war nur ein Ausgangspunkt. „Ich hatte immer diese Idee im Hinterkopf: Was würde passieren, wenn ich zu viel davon hineinstecke?“ Jalouli sagte zu Ars. Also begann sein Team, mit unterschiedlichen Größen und Anzahlen von Kugeln im Medium zu experimentieren und verschiedene Medien wie Silikonöl zu verwenden. „Sie können den Druck, mit dem die Kugeln aktiviert werden, anpassen, indem Sie ihren Radius und die Dicke ihrer Wände ändern. Wenn Sie die Kugeln dicker machen, benötigen Sie mehr Energie, um sie zu drehen, sodass der Aktivierungsdruck höher ist“, erklärt Jalouli.

Es gibt weitere Parameter, die geändert werden können, um die gewünschten Eigenschaften im Metafluid zu programmieren. Dazu gehören der Volumenanteil – das ist im Grunde genommen der Anteil des gesamten Flüssigkeitsvolumens, den die Kugeln absorbieren – und die Struktur der Kugeln, bei der sich die Flüssigkeit unterschiedlich verhält, wenn man Kugeln unterschiedlicher Größe und Dicke hineingibt. Sie können dies auch anpassen, indem Sie eine Mischung aus Domänen mit unterschiedlichen Eigenschaften verwenden. „Wenn die Variation in Größe und Dicke der Kugeln zu gering ist, entsteht beim Aktivieren ein sehr flaches Druckplateau. Wenn Sie eine breitere Verteilung haben, wird der Übergang von allen Schnallen zu allen Schnallen sanfter sein“, sagt er Jalouli ermöglicht auch das Erreichen mehrerer Plateaus bei unterschiedlichen Drücken in einer einzigen Flüssigkeit: „Auf diese Weise kann die Druck-Volumen-Kurve fein abgestimmt werden“, fügt Jalouli hinzu.

Durch die Anpassung dieser Kurven konnte sein Team eine intelligente hydraulische Kupplung bauen, die ohne Sensoren oder Steuerungssysteme funktioniert.