Алгоритм и моделирование оптимизируют размещение изгибаемого стержня для реконфигурируемого движения и точной кинематической производительности.
Исследователи из Университета Карнеги-Меллона (CMU) разработали новый мощный алгоритм, который позволяет проектировать реконфигурируемые метаструктуры с настраиваемой жесткостью и шестью степенями свободы (DoF). Этот прорыв позволяет проектировщикам программировать сложные траектории движения непосредственно в материалах, предоставляя беспрецедентный контроль над тем, как функционируют суставы в передовых механических системах.
Алгоритм интерпретирует множественные кинематические конфигурации, что упрощает создание адаптируемых устройств для различных приложений. Демонстрируя его потенциал, исследователи создали ряд носимых структур, каждая из которых настроена для определенных типов движений и положений тела. Инновации могут повлиять на робототехнику и протезирование, аэрокосмическую промышленность и носимые технологии.
Тактильный дизайн нового поколения
Механические системы с настраиваемой кинематикой и жесткостью жизненно важны для приложений в виртуальной тактильной сфере, производительности и медицинской реабилитации.
Предыдущие работы изучали механизмы с изменяемой жесткостью, использующие электромагнитные, электростатические или пневматические системы, хотя они часто ограничивают степени свободы (DOF) из-за механической сложности. Податливые структуры с архитектурными материалами предлагают альтернативу, однако большинство конструкций ограничены бинарными режимами и низкими диапазонами жесткости.
видео: https://www.youtube.com/embed/1lr4PX92it4?feature=oembed
Чтобы устранить ограничения в предыдущих разработках, исследователи из CMU усовершенствовали модель Freedom and Constraint Topology (FACT) на основе винтовой алгебры, чтобы обеспечить многомодальную реконфигурацию, в то же время включив поведение материалов, такое как жесткость стержня и выпучивание. Их метод поддерживает активное управление движением во всех шести степенях свободы с настраиваемой жесткостью и настраиваемыми геометриями, подходящими для различных приложений, включая носимые системы.
Центральным элементом этого подхода является усовершенствованная структура проектирования, которая определяет оптимальные положения изгибаемых стержней для нескольких режимов движения. Процесс объединяет аналитическое моделирование с моделированием конечных элементов (FE) для оценки и уточнения производительности, что приводит к созданию адаптивных устройств, соответствующих конкретным кинематическим и структурным требованиям.
Исследователи создали три образца устройств, чтобы показать, как работает их система. Одно из них — устройство для запястья, которое может изменять свою жесткость, помогая контролировать, насколько свободно движется запястье. Другое — «напёрсток» для кончика пальца, который может переключаться между мягкими и твёрдыми настройками, имитируя ощущение различных материалов, таких как гель или металл. Третье — носимое устройство, состоящее из нескольких соединений, предназначенных для руки и кисти, которое может улучшить тактильную обратную связь или помочь в тренировке мышц.
Адаптивное управление движением
Стержни, изменяющие жесткость, в этих устройствах полагаются на электротермическую активацию через нагревательные провода. Несмотря на эффективность, ограниченная растяжимость металлических проводов ограничивает движение сжатием вдоль оси стержня. По мнению исследователей, это ограничение можно преодолеть, заменив нагревательные провода электротермическими эпоксидными материалами, такими как смола, пропитанная углеродными нанотрубками, что потенциально обеспечивает двунаправленное движение без дополнительной механической сложности. Контраст жесткости между заблокированными и разблокированными состояниями также может быть улучшен такими изменениями. Однако, особенно для высокоточных приложений, необходимо решать такие проблемы, как эпоксидный гистерезис.
При нагревании примерно до 54 °C эти стержни также могут восстанавливать свою прежнюю форму, демонстрируя способность к памяти формы, но эффективность восстановления варьируется в зависимости от типа деформации. В носимых устройствах пассивные стержни и поддержка пользователя могут помочь в восстановлении еще больше. Сравнительно низкая скорость переключения режимов системы из-за пассивного охлаждения и джоулевого нагрева является одним из ее недостатков. Хотя это ограничивает использование в быстро меняющихся приложениях, таких как игры, она остается подходящей для задач, которые допускают случайное переключение, таких как реабилитация двигательных навыков и ориентированная на производительность тактильная чувствительность. Будущие исследования могут рассмотреть способы включения активных термоэлектрических устройств или оптимизации терморегулирования для сокращения времени реконфигурации.
Исследователи полагают, что идеи дизайна могут быть адаптированы к другим частям тела и сопряжены с компьютерами для вспомогательного обучения, дополненной или виртуальной реальности или адаптивного личного ухода, в дополнение к носимым устройствам для верхних конечностей. Оптимизация дизайна для удобства ношения и эффективности будет иметь решающее значение для широкого использования, а масштабируемые цифровые методы изготовления, такие как встроенная эпоксидная печать, могут упростить производство.
Подробности исследования группы были опубликованы в журнале Nature Communications.
ОБ АВТОРЕ
Джиджо Малайил — автомобильный и деловой журналист из Индии. Вооруженный степенью бакалавра истории (с отличием) колледжа Св. Стефана Делийского университета и дипломом PG по журналистике Индийского института массовых коммуникаций в Дели, он работал в новостных агентствах, национальных газетах и автомобильных журналах. В свободное время он любит кататься по бездорожью, участвовать в политических дискуссиях, путешествовать и преподавать языки.