Origami

Aug 12, 2023

I ricercatori della USC hanno sviluppato una soluzione innovativa per misurare il movimento dei componenti morbidi nella robotica.

I sensori di deformazione ispirati agli origami potrebbero cambiare il modo in cui interagiamo con i robot morbidi

Hollywood è una fonte di ispirazione fondamentale per gli appassionati di robotica. I movimenti sorprendentemente realistici dei personaggi animati in film come “Avatar” e “Il Signore degli Anelli” sono prodotti utilizzando la tecnica del motion capture – in cui i marcatori riflettenti sono fissati su un attore, catturati dalle telecamere e tradotti in dati di movimento che possono essere letto dal software di animazione.

Nel campo della robotica morbida, un metodo comparabile è stato utilizzato per monitorare la deformazione – o i cambiamenti di forma – di componenti morbidi come i muscoli di un braccio robotico. Le telecamere possono raccogliere i dati che consentono ai ricercatori di misurare l’elasticità e il recupero, informazioni cruciali per prevedere e quindi controllare il movimento del robot.

Ecco il problema: questo processo funziona raramente al di fuori del laboratorio. Se un robot naviga nell'oceano, opera nello spazio o è racchiuso nel corpo umano, l'installazione di più telecamere non è sempre pratica.

Ecco perché Hangbo Zhao, che ricopre il doppio incarico di professore assistente presso il Dipartimento di ingegneria aerospaziale e meccanica e il Dipartimento di ingegneria biomedica Alfred E. Mann, ha deciso di testare un approccio alternativo.

Immagine in scala del sensore di deformazione con design dell'elettrodo ispirato agli origami

Spinto dalle conversazioni con i suoi colleghi di robotica morbida, Zhao e il suo gruppo di ricerca hanno sviluppato un progetto per un nuovo sensore utilizzando elettrodi 3D ispirati ai modelli di piegatura utilizzati negli origami, in grado di misurare un intervallo di deformazione fino a tre volte superiore rispetto a un sensore tipico. .

I sensori possono essere collegati a corpi molli in movimento – qualsiasi cosa, dai tendini meccanici della gamba protesica, alla materia pulsante degli organi interni umani – allo scopo di monitorare il cambiamento di forma e il corretto funzionamento, senza bisogno di telecamere.

Il documento risultante, “Sensori di deformazione ad alta elasticità e bassa isteresi che utilizzano mesostrutture 3D ispirate agli origami”, è pubblicato sulla principale rivista Science Advances.

“Per sviluppare il nuovo sensore, abbiamo sfruttato il nostro lavoro precedente nella progettazione e produzione di strutture 3D su piccola scala che applicano i principi degli origami”, ha spiegato Zhao. “Ciò consente ai sensori di essere utilizzati ripetutamente e di fornire letture precise anche quando si misurano deformazioni ampie e dinamiche di corpi molli”.

Il professor Hangbo Zhao e il primo autore dell'articolo, Xinghao Huang, dottorando in ingegneria meccanica

I sensori di deformazione estensibile esistenti utilizzano in genere materiali morbidi come la gomma, ma questo tipo di materiale può subire cambiamenti irreversibili nelle proprietà del materiale attraverso l’uso ripetuto, producendo metriche inaffidabili quando si tratta di rilevamento della deformazione.

Ma cosa succederebbe se il materiale del sensore non fosse intrinsecamente morbido o elastico? Invece, la struttura 3D degli elettrodi convertirebbe l’allungamento e il rilascio in un processo di apertura e piegatura.

L'ingegnosa soluzione di Zhao per il sensore basato su elettrodi può essere dimostrata con un pezzo di carta piatto. Tirare entrambi i lati: diventa più grande? NO? Quindi, non elastico.

Ora piega la carta a metà. Aprilo di nuovo. La forma della carta piegata cambia, ma la materia stessa non si è trasformata nella sostanza. In altre parole, meglio che elastico.

Mentre gli elettrodi si aprono, viene catturata la forza del campo elettrico. Un modello sviluppato dal team converte quindi questa lettura in una misurazione della deformazione. Questo approccio è ideale per rispondere a grandi deformazioni che i sensori esistenti non sono in grado di identificare con precisione; attraverso l'arte della piegatura si possono ottenere salti dimensionali reversibili senza provocare alterazioni del materiale.

“Integriamo gli elettrodi ispirati agli origami 3D con un substrato morbido ed estensibile attraverso il legame covalente”, ha spiegato Zhao. “Questa combinazione unica ci consente di misurare una deformazione molto ampia, fino al 200% della deformazione, con un’isteresi ultrabassa di circa l’1,2%. C'è anche una risposta molto rapida, entro 22 millisecondi."