Octa-glove tar ett Virginia Tech-spelkort under vattnet från Michael Bartletts labb. Kredit: Virginia Tech
Ett team av forskare under ledning av Michael Bartlett från Virginia Tech har utvecklat en bläckfisk-inspirerad handske som kan säkert greppa föremål under vattnet. Deras forskning valdes ut för omslaget den 13 juli Vetenskapliga framsteg.
Människor är inte naturligt kopplade till att trivas i en undervattensmiljö. Vi använder tankar för att andas, våtdräkter för att skydda och värma våra kroppar och glasögon för att se tydligt. I en sådan miljö är den mänskliga handen också dåligt rustad att hålla saker. Alla som har försökt hålla i en slingrande fisk kommer att vittna om att undervattensobjekt är svåra att greppa med våra landfingrar.
“Det finns kritiska tillfällen då det blir ett ansvar”, säger Bartlett, en biträdande professor på avdelningen för maskinteknik. “Naturen har redan några fantastiska lösningar, så vårt team tittade på den naturliga världen för idéer. Bläckfisken blev ett självklart val för inspiration.”
Ett team av forskare under ledning av biträdande professor Michael Bartlett vid Virginia Tech har utvecklat en bläckfisk-inspirerad handske som kan säkert greppa föremål under vattnet. Kredit: Virginia Tech
Räddningsdykare, undervattensarkeologer, broingenjörer och räddningsteam använder sina händer för att dra upp människor och föremål ur vattnet. Människohänder med mindre förmåga att hålla i hala föremål måste använda mer kraft, och ett järngrepp kan ibland äventyra dessa operationer. När en känslig beröring krävs, skulle det vara bra att ha händerna gjorda för vatten.
Det är samma bilagor som Bartlett och hans forskarkollegor försökte bygga. Hans team i Soft Materials and Structures Laboratory anpassar biologiska lösningar till nya teknologier gjorda av mjuka material och robotik.
Få inspiration från ett kraftfullt grepp
Bläckfisk är en av de mest unika varelserna på planeten, utrustad med åtta långa armar som kan greppa otaliga saker i en vattenmiljö. I en vacker integrering av praktiska verktyg och intelligens är dessa händer täckta av socker, kontrollerade av det marina djurets muskel- och nervsystem.
Varje sugkopp, formad som änden på kolven, bidrar till en kraftfull greppförmåga. Efter att den breda yttre kanten på sugkoppen tätar med ett föremål, drar musklerna ihop sig och slappnar av det koppliknande området bakom kanten för att lägga till och släppa trycket. När många av skotten fångas skapar det ett starkt vidhäftande bindemedel som är svårt att komma ifrån.
“När vi tittar på bläckfisken sticker limmet verkligen ut och aktiverar och släpper snabbt vidhäftning vid behov,” sa Bartlett. “Det som dock är lika intressant är att bläckfisken kontrollerar över 2 000 sugkoppar i åtta armar genom att bearbeta information från en mängd olika kemiska och mekaniska sensorer.” Octopus förenar verkligen förmågan att justera vidhäftning, känsla och kontroll för att manipulera undervattensobjekt.”
Octa-Glove samlar olika föremål under vattnet från Michael Bartletts labb. Kredit: Med tillstånd av Virginia Tech
Att omsätta inspiration i handling
För att designa sin handske fokuserade forskarna på att ombilda sugkoppar: följsamma gummistamlar täckta med mjuka, aktiverade membran. Designen är skapad för att utföra samma funktion som en sugkopp för bläckfisk – vilket möjliggör säker fastsättning på föremål med lätt tryck, idealisk för att hålla fast på både plana och böjda ytor.
Efter att ha utvecklat vidhäftningsmekanismerna behövde de också ett sätt för handsken att känna av föremål och utlösa vidhäftningen. För att göra detta anlitade de biträdande professorn Eric Markwicka från University of Nebraska-Lincoln, som lade till en rad mikro-LIDAR optiska närhetssensorer som känner av hur nära ett objekt är. Sugkopparna och LIDAR kopplades sedan ihop via en mikrokontroller för att koppla känslan av föremålet med sugkoppens ingrepp, och därigenom efterlikna nervsystemet och muskelsystemet hos en bläckfisk.
Användningen av sensorer för att aktivera dammsugarna gör också systemet anpassningsbart. I den naturliga miljön lindar bläckfisken sina armar runt stenar och ytor och fäster sig på släta skal och grova skal. Forskargruppen ville också ha något som skulle kännas naturligt för människor och låta dem plocka upp saker utan ansträngning, anpassa sig till olika former och storlekar som en bläckfisk skulle göra. Deras lösning var en handske med syntetiska sugkoppar och sensorer tätt integrerade, en harmoni av bärbara system som fångar många olika former under vattnet. De kallade den Octa-handsken.
“Genom att kombinera mjuka, lyhörda självhäftande material med inbäddad elektronik kan vi greppa föremål utan att behöva klämma dem,” sa Bartlett. “Det gör hanteringen av våta eller undervattensföremål mycket enklare och mer naturlig. Elektronik kan aktivera och släppa vidhäftning snabbt. Flytta bara handen till ett föremål och handsken gör jobbet med att greppa. Allt kan göras utan att användaren trycker på en enda knapp.”
Forskare testar Octa-Glove i Michael Bartletts labb. Kredit: Alex Parrish för Virginia Tech
Montering av handsken
I testerna provade forskarna flera olika grepplägen. För att manipulera känsliga och lätta föremål använde de en enda sensor. De fann att de snabbt kunde plocka upp och släppa platta föremål, metallleksaker, cylindrar, den dubbelkrökta delen av en sked och en ultramjuk hydrogelboll. Genom att omkonfigurera sensornätverket för att använda alla sensorer för att upptäcka föremål kunde de också plocka upp större föremål som en tallrik, låda och skål. Platta, cylindriska, konvexa och sfäriska föremål bestående av både hårda och mjuka material fastnade och lyftes även när användarna inte fattade föremålet genom att stänga händerna.
“De här funktionerna efterliknar den avancerade manipulationen, avkänningen och kontrollen av bläckfiskar och ger en plattform för syntetiska undervattensadhesiva skinn som på ett tillförlitligt sätt kan manipulera en mängd olika undervattensobjekt”, säger postdoktorn Ravi Tutika. “Detta är verkligen ett steg i rätt riktning, men det finns mycket att lära om både bläckfisken och hur man gör integrerade lim innan vi når naturens fulla greppförmåga.”
Framöver föreställer sig forskarna att handsken spelar en roll i mjuk robotik för undervattensgrepp, applikationer inom användarassisterad teknik och sjukvård samt vid tillverkning för montering och hantering av våta föremål.
Detta arbete utfördes med Shawn Frey, ABM Tahidul Haque, Elizabeth Krotz, Cole Haverkamp och Changhong Lee som representerade Virginia Tech, Iowa State University och University of Nebraska-Lincoln.
Den bläckfiskinspirerade roboten kan greppa, flytta och manipulera ett brett utbud av föremål
Mer information:
Sean T. Frey et al, Octopus-Inspired Adhesive Skins för smart och snabb växlingsbar undervattenslimning, Vetenskapliga framsteg (2022). DOI: 10.1126/sciadv.abq1905. www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abq1905
Med tillstånd av Virginia Tech
Citat: Underwater Glove Puts Octopus Abilities in Human Hands (2022 13 juli) Hämtad 16 juli 2022 av
Detta dokument är föremål för upphovsrätt. Med undantag för rättvisa affärer för privata studier eller forskning, får ingen del reproduceras utan skriftligt tillstånd. Innehållet tillhandahålls endast i informationssyfte.
https://techxplore.com/news/2022-07-underwater-glove-octopus-abilities-humans.html
