Не так часто можно встретить разработки, которые могут удивить любителей робототехники. Но разработка Стивена Керона из Корнельского университета «Попкорн-управляемые роботизированные приводы», представленная на Международной конференции IEEE по робототехнике и автоматизации креативная и инновационная.
Зёрна попкорна представляют собой натуральный и недорогой пищевой продукт, который способен при нагревании быстро раздуваться и создавать при расширении механическую силу. Хотя переход к раздутому состоянию необратим, он обладает потенциалом для нескольких роботизированных приложений. Поскольку зёрна попкорна могут изменяться от регулярных до (больших) нерегулярных форм, изучалось изменение межгранулярного трения. И было предложено использование зёрен попкорна в качестве гранулированных жидкостей в приводах заклинивания без необходимости использовать вакуумный насос. Кроме того, как доказательство концепции, было продемонстрировано использование привода, приводимого в действие попкорном, в и жестких роботизированных захватах. Исследователи надеются, что этот пример первого использования попкорна в робототехнике вдохновит исследователей на новые многофункциональные механизмы.

В документах по робототехнике исследователи часто пишут «новый, инновационный». Но здесь — это определение нового механизма. И это может быть одна из самых креативных идей, которые я можно увидеть на конференциях по робототехнике. Это не означает, что попкорн собирается полностью трансформировать роботизированное приводы. Но это довольно странно, что он может быть использован в некоторых полезных (хотя очень специфических) роботизированных приложениях.
Зачем использовать попкорн для питания привода энергией? Можно думать о зёрнах попкорна как о маленьких хранилищах механической энергии. И эту энергию можно трансформировать в силу и движение, когда зёрна попкорна нагреваются. Это очень полезное свойство, даже если его можно использовать только один раз. А тот факт, что попкорн очень дешевый и не только биоразлагаемый, но и съедобный — это просто прекрасно.

Когда для испарения влаги внутри зерна используется достаточное количество тепла. в зерне попкорне происходит «выстрел». Более 900 кПа внутреннего давления заставляет вкусную желеобразную массу внутри ядра взорваться (разорвав оболочку), расшириться, а затем высушиться. По сравнению с размером исходного объема, объём высушенного куска попкорна увеличился в пять раз. Хотя он может быть намного больше, в зависимости от того, как нагревается зерно. Из-за этой изменчивости объёма, первым шагом в данном исследовании было правильно охарактеризовать попкорн. Для этого исследователи из лаборатории Корнелла тестировали попкорн марки Amish Country (выбранный из-за отсутствия добавок или обработки после сбора урожая) трёх цветов: белый, средне желтый и сероватого оттенка. Каждый тип нагревался в горячем растительном масле, горячим воздухом, микроволнами и при помощи нихромовой спирали. Небольшие белые зёрна (которые были самыми дешевыми по цене 4,80 долларов США за килограмм) также усредняли. В микроволновой печи был получен самый высокий коэффициент расширения: зёрна увеличивались в объёме в 15,7 раз.

Исследователи создали захват с тремя «пальцами», используя 3D-печатные части и мешочек, заполненный зёрнами попкорна. Когда ядра нагревают, они увеличиваются в объёме (взрываются) и поднимают верхнюю часть захвата, закрывая пальцы.
Исследователи предполагают, что попкорн может быть полезен в следующих приложениях робототехники:
Привод заклинивания. Привод «заклинивания», заполнен «гранулированной жидкостью» (например, кофейной гущей), которая будет превращаться в твёрдое тело при сжатии, чаще всего путем применения вакуума. Если использовать зерна попкорна в качестве гранулированной жидкости, нагревая их, они станет жесткими. Это необратимо, но эффективно. В одном эксперименте исследователи смогли использовать захват, заполненный 36 зёрнами попкорна, чтобы поднять 100-граммовую массу.
Эластомерный привод. Эластомерный привод представляет собой закрытую с одного конца трубку, выполненную из эластичного материала, которая ограничена в одном направлении таким способом, что, если трубка будет расширяться, она будет изгибаться. Обычно такие приводы накачиваются сжатым воздухом. Но можно сделать это и с попкорном. Исследователи смогли использовать три таких приводов, чтобы сделать своего рода трехпалую руку, которая могла бы схватить мяч.
Привод оригами. Как и эластомерные приводы, приводы оригами ограничены в одном измерении скручиванием по мере их расширения. Но структура оригами позволяет этому ограничению быть встроенным в структуру привода, когда он складывается. Исследователи создали оригами привод, в котором 80 граммов «взорвавшихся» зёрен попкорна смогли удержать 4-килограммовую гирю.
Захват с жесткой связью. (Не раздутые) зёрна попкорна можно помещать в гибкий контейнер между двумя пластинами с прикрепленными к ним проволочными связями. По мере того как попкорн будет расширяться, пластины будут раздвигаться. Давление раздвигающихся пластин можно использовать для чего угодно, например, для приведения в действие захвата.

Конечно, можно сделать большую часть этих захватов полностью обратимыми, используя вместо попкорна сжатый воздух. Но использование сжатого воздуха связано с множеством других сложных аппаратных средств, в то время как попкорн нужно только нагревать. Попкорн также намного проще интегрировать в роботы, способные подвергаться биодеградации, и это довольно дешево. Скорее всего, лучше не сравнивать непосредственно попкорновые приводы с другими типами роботизированных приводов, а представлять ситуации, когда дешевый или одноразовый робот нуждается в надежном одноразовом приводе, например, для открывания чего-нибудь.
Для более подробной информации, разработчики попкрновых приводов ответили на вопросы по электронной почте:
Откуда у вас появилась идея использовать попкорн всеми этими способами? Как вы думаете, почему никто раньше этого не пытался сделать?
В лаборатории рассматривалась концепция нового типа мягкого привода, который был бы биоразлагаемыми и продемонстрировал бы большие изменения механических свойств. Это определенно новая концепция для биоразлагаемых приводов. На первый взгляд может показаться глупым использование чего-то столь необычного для робототехники, как попкорн. Но, как мы показываем в этой статье, механические свойства попкорна при нагревании резко изменяются, и расширение попкорна может быть довольно большим. Эти особенности попкорна могут быть использованы в наших интересах.
Насколько сорт попкорна влияет на его характеристики? Какой сорт попкорна лучше использовать в робототехнике?
Для раздутия разных сортов зёрен попкорна нужна примерно одинаковая температура. Однако конечный размер раздутых зёрен может сильно варьироваться в зависимости от метода нагрева. Например, при использовании горячего воздуха получаем коэффициент объемного расширения около 5, но при использовании микроволновой печью можно получить коэффициент объемного расширения до 15 раз. Таким образом, изменяя способ нагрева, можно управлять коэффициентом объёмного расширения попкорна.
Каковы потенциальные приложения, где необратимая природа изменения состояния попкорна не будет проблемой?
Можно представить сценарий, в котором нам нужна теплоизолированная камера. Которая вначале должна быть пустой, а затем должна быть заполнена материалом, который служит теплоизоляцией. Зёрна попкорна могли бы течь в камеру в виде гранулированной жидкости. А затем при нагревании в камере раздуваться и превращаться в теплоизолирующий наполнитель. Если камера должна быть опустошена, можно просто пропустить через неё воду, чтобы растворить попкорн или вытолкнуть его наружу.

В статье упоминается, что вы хотели бы разработать «автономные роботы, управляемые попкорном». Можете ли вы описать, как эти роботы смогут работать, как они будут выглядеть и что они смогут делать?
Мы думали о разных возможностях. Но одной интересной демонстрацией был бы небольшой робот, который мог бы нагревать зёрна попкорна по одному и «выстреливать» ими наружу, создавая своего рода реактивную тягу, которая могла бы толкать робота вперед.
Какую оценку получила ваша работа на Международной конференции по робототехнике?
Люди искренне интересуются этой темой. Какими могут быть возможные применения этого нового роботизированного привода… Это пока первая работа такого рода, поэтому мы надеемся, что она будет мотивировать других исследователей рассматривать нетрадиционные материалы, даже такие случайные, как попкорн, при разработке новых типов приводов и роботизированных устройств.