Инженеры разработали крошечного, легкого и беспроводного робота, который может действовать независимо и с ультравысокой точностью во всех направлениях в самых экстремальных условиях. Робот, которого дизайнеры называют «Holonomic Beetle 3» (или HB-3) — так как они были вдохновлены движениями и анатомией жука-носорога — сочетает использование пьезоэлектрических приводов с автономной технологией, что позволяет выполнять задачи микроманипуляций, которые ранее были недоступны роботам.
HB-3 удовлетворяет растущую потребность в различных отраслях промышленности, включая лабораторную автоматизацию, медицинские процедуры и научные исследования, в точной манипуляции в различных масштабах, от манипуляций с наноматериалами и клетками до сборки компонентов чипа, где присутствие человека ограничено или невозможно.
Это особенно необходимо в вакуумных, чистых, сквозняковых и биологически опасных камерах безопасности.
Статья, описывающая конструкцию и возможности робота, была опубликована в журнале Advanced Intelligent Systems 26 января.
В последние годы автономные (беспроводные) роботы нашли практическое применение в различных промышленных секторах, на местах катастроф, в медицинских областях и в экстремальных условиях или в замкнутых пространствах, куда невозможен доступ человека.
Между тем, миниатюризация внутренних электронных компонентов для всех видов устройств также быстро продвигалась, включая разработку микробатарей и микросуперконденсаторов толщиной всего в несколько микрон.
Однако обычные устройства позиционирования упорно оставались громоздкими и тяжелыми по сравнению с этими крошечными деталями, поэтому было много возможностей для улучшения в отношении эффективности использования энергии и пространства.
Даже если приводные цепи и батареи стали крошечными, их диапазон и свобода эксплуатации по-прежнему были сильно ограничены. Для решения этих проблем были разработаны различные прецизионные приводы — по сути, «мускулы» робота, преобразующие энергию (электрическую, гидравлическую или пневматическую) в движение — для улучшения этих позиционирующих устройств.
Пьезоэлектрические приводы, в частности, показали большие перспективы.
Пьезоэлектрические материалы, такие как кварц в кварцевых часах или синтетическая керамика, такая как PZT (цирконат-титанат свинца), генерируют электрический заряд при воздействии механического напряжения (по сути, толчка или сжатия).
Они также выполняют обратную функцию: деформируются при приложении электрического поля. Это пьезоэлектрическое свойство позволяет осуществлять сверхтонкие движения, расширяясь или сжимаясь в ответ на очень точно определенные электрические сигналы, часто в нанометровом масштабе.
Однако, несмотря на то, что было разработано множество миниатюрных роботов и захватов, до сих пор не существовало мобильных микроманипуляторов, которые бы интегрировали технологии пьезоэлектрического привода, были бы автономными и непривязанными, а также адаптированными к реальным приложениям.
В основе конструкции HB-3 лежит его компактная, легкая структура — всего 515 граммов и размером всего 10 кубических сантиметров.
Интегрированная схема управления с использованием одноплатного компьютера устраняет проблемы, которые были вызваны кабелями питания в предыдущих исследованиях команды. HB-3 также оснащен внутренней камерой и выполняет задачи с использованием алгоритмов машинного обучения, которые позволяют ему корректировать свои движения в реальном времени , функция, отсутствовавшая в предыдущих микроманипуляторах.
В ходе тщательного тестирования HB-3 продемонстрировал впечатляющую производительность при выполнении различных задач в ограниченных, изолированных средах с использованием различных инструментов, таких как точный пинцет для захвата и размещения детали чипа или инжектор для нанесения крошечной капли, при этом средняя точность позиционирования составила всего 0,08 мм по оси x и 0,16 мм по оси y, причем 87% задач были признаны успешными.
Инструменты можно гибко преобразовывать в измерительные зонды, паяльники, отвертки и другие точные приборы по требованию и в различных масштабах от метра до нанометра.
«Мы смогли раздвинуть границы миниатюризации, чтобы создать по-настоящему автономное, непривязанное устройство, которое может работать в тесных, опасных пространствах», — сказал Оми Фучиваки, доцент факультета инженерии Национального университета Йокогамы и один из инженеров, стоящих за этой крошечной машиной.
«HB-3 может не только справляться со сложными задачами, но и делать это с непревзойденной точностью».
Тем не менее, команда все еще хочет доработать своего маленького жука.
Они считают, что скорость обработки HB-3, зависящая от процессора Raspberry Pi, может быть улучшена, а время, необходимое роботу для обнаружения объектов, может быть сокращено, возможно, путем выгрузки обнаружения объектов на внешний высокопроизводительный компьютер.
Двигаясь вперед, исследователи также намерены улучшить его скорость и точность, а также изучить интеграцию внутренних камер бокового и верхнего обзора для повышения точности позиционирования по оси z.
Рубрика: Технологии. Читать весь текст на android-robot.com.