[논문 리뷰] Harnessing bistability for directional propulsion of untethered, soft robots

Tian Chen, Osama R. Bilal외 2명|arXiv (Cornell University)|2017. 10. 12.

Advanced Materials and MechanicsEngineering인용 수 18

한 줄 요약

이 논문은 환경 온도 변화에 반응하는 형상 기억 고무(SMP) 근육을 이용해 이원성 요소를 구동함으로써 사전 프로그래밍된 방향성 추진을 달성하는 완전히 소프트하고 유인되지 않은 수영 로봇을 제시한다. 로봇은 온도에 의해 촉발되는 순차적 작동을 통해 자율적으로 전진하고 가열 시 화물 운반을 수행하며, 다른 유리 전이 온도를 가진 SMP 근육의 온도 자극에 의해 시작 지점으로 후진한다.

ABSTRACT

In most macro-scale robotics systems , propulsion and controls are enabled through a physical tether or complex on-board electronics and batteries. A tether simplifies the design process but limits the range of motion of the robot, while on-board controls and power supplies are heavy and complicate the design process. Here we present a simple design principle for an untethered, entirely soft, swimming robot with the ability to achieve preprogrammed, directional propulsion without a battery or on-board electronics. Locomotion is achieved by employing actuators that harness the large displacements of bistable elements, triggered by surrounding temperature changes. Powered by shape memory polymer (SMP) muscles, the bistable elements in turn actuates the robot's fins. Our robots are fabricated entirely using a commercially available 3D printer with no post-processing. As a proof-of-concept, we demonstrate the ability to program a vessel, which can autonomously deliver a cargo and navigate back to the deployment point.

연구 동기 및 목표

• 배터리나 내장 전자기기 없이 방향성 추진이 가능한 완전히 소프트한 유인되지 않은 로봇을 개발하는 것.
• 환경 온도를 유일한 작동 촉발 요소로 사용하여 자율적 주행과 화물 운반을 가능하게 하는 것.
• 다른 유리 전이 온도를 가진 SMP 근육의 순차적 활성화를 통해 가역적 이동을 구현하는 것.
• 후처리나 복잡한 조립이 없는 단일 구조의 3차원 프린팅 로봇을 만드는 것.
• 이원성과 형상 기억 재료를 활용한 프로그래머블 소프트 로봇을 위한 설계 프레임워크 수립

제안 방법

• 로봇은 큰 변형을 일으키는 스냅스루 불안정성을 통해 큰 변위를 생성하는 기계적 '엔진'으로서의 이원성 요소를 사용한다.
• 조절 가능한 유리 전이 온도(Tg ≈ 35°C 및 60°C)를 가진 형상 기억 고무(SMP) 근육이 다중 재료 Stratasys Connex 프린터를 사용해 3차원 프린팅된다.
• SMP 근육이 이원성 요소에 부착되어 있으며, 이들의 Tg 이상으로 가열될 경우 스냅스루가 발생하여 방향성 꼬리 움직임과 추진력을 유도한다.
• 더 높은 Tg를 가진 두 번째 SMP 근육은 이원성 요소의 상태를 뒤바꾸어 뒤로 움직임을 가능하게 한다.
• 로봇 앞부분에 위치한 형상 기억 그립은 3차원 프린팅된 화물을 잡고 있으며, Tg 이상으로 가열될 경우 화물을 방출한다.
• 열-점탄성 재료 모델을 사용한 Abaqus 유한 요소 시뮬레이션을 통해 설계의 타당성과 작동 행동 예측이 검증되었다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 완전히 소프트하고 유인되지 않은 로봇이 배터리나 내장 전자기기 없이 방향성 추진을 달성할 수 있는가?
• RQ2 환경 온도 변화를 어떻게 활용하여 소프트 로봇의 순차적 작동과 주행을 프로그래밍할 수 있는가?
• RQ3 단일 로봇이 온도 반응성 재료만을 사용하여 화물 운반 후 출발 지점으로 자율적으로 복귀할 수 있는가?
• RQ4 이원성 기계와 SMP 작동을 통해 가역적 주행을 가능하게 하는 설계 원칙은 무엇인가?
• RQ5 단일 구조의 3차원 프린팅 구조에서 재료와 기하학적 조정만으로 복잡한 사전 프로그래밍된 운동 시퀀스를 달성할 수 있는가?

주요 결과

• 첫 번째 SMP 근육(Tg ≈ 60°C)이 전이 온도 이상으로 가열될 경우 이원성 요소가 앞으로 스냅스루되며, 이로 인해 자율적 전진 추진이 발생한다.
• 더 높은 온도(Tg ≈ 60°C)에서 두 번째 SMP 근육이 활성화되어 이원성 요소의 상태를 뒤바꾸며, 로봇이 뒤로 움직이게 된다.
• 형상 기억 그립은 Tg ≈ 35°C로 가열될 경우 화물을 방출하여 자율적 운반을 가능하게 한다.
• 로봇은 완전한 임무를 성공적으로 수행했다: 전진 운동, 화물 방출, 출발 지점으로의 복귀가 하나의 3차원 프린팅 단일 구조에서 이루어졌다.
• 유한 요소 시뮬레이션은 열 하중 하에서 이원성 시스템의 예측된 작동 행동과 힘 생성을 확인했다.
• SMP 근육, 이원성 구조, 그립을 포함한 전체 로봇은 후처리 없이 다중 재료 3차원 프린팅을 통해 한 번의 인쇄로 제작되었다.