Investigadores en China han desarrollado una estructura biestable ultra sintonizable con barreras de energía y fuerzas de activación programables. Las estructuras se pueden personalizar en varias configuraciones geométricas, dimensiones, materiales y métodos de actuación para su uso en aplicaciones robóticas. Al remodelar la estructura del estado metaestable a cualquier estado intermedio, la barrera de energía disminuye, permitiendo que estímulos externos más pequeños desencadenen una ruptura rápida. El equipo demostró la adaptabilidad de la estructura con varios prototipos, incluido un atrapamoscas robótico, pinzas, un saltador, un nadador, un interruptor térmico y un sistema de clasificación. Este trabajo podría conducir a avances en los campos de la robótica, la ingeniería biomédica, la arquitectura y el arte cinético. (Arte fractal abstracto que representa estructuras que cambian de forma).
Estructuras biestables ultraajustables desarrolladas para aplicaciones robóticas universales
Investigadores chinos han desarrollado una estructura biestable ultra sintonizable con funcionalidad personalizable para aplicaciones robóticas, proporcionando fuerzas de activación ajustables y demostrando usos potenciales en una variedad de campos.
Las estructuras biestables en la naturaleza son inigualables por su rápida respuesta y fuerza de amplificación incluso con la más mínima estimulación física. Aprovechar la biestabilidad y la inestabilidad para liberar rápidamente la energía almacenada en estructuras biestables podría mejorar el rendimiento del robot en varias áreas, por ejemplo, locomoción de alta velocidad, detección adaptativa y agarre rápido.
Sin embargo, el trabajo actual sobre estructuras biestables se centra principalmente en sus estados estables, mientras que los estados intermedios con una amplia gama de barreras energéticas sintonizables están ausentes en los estudios actuales.
Recientemente, un equipo de investigación dirigido por el Dr. LI Yingtian del Instituto de Tecnología Avanzada de Shenzhen (SIAT) de la Academia de Ciencias de China propuso un tipo de estructura biestable ultra sintonizable con barreras de energía programables y fuerzas de activación de diferentes órdenes de magnitud. Las estructuras también se pueden personalizar con varias configuraciones geométricas, dimensiones, materiales y métodos de actuación para diversas aplicaciones robóticas.
Este trabajo fue publicado en la revista
Schematic of the proposed ultra-tunable bistable structure. Credit: LI Yingtian)
The reported bistable structure was fabricated by folding a sheet material to a specific crease pattern. It possesses a stable state, a metastable state, and enormous intermediate states. When the bistable structure transitions from its metastable state to the stable state, there exists a critical point, where the stored strain energy reaches its maximum value, and the fast snap-through starts.
In this work, the enormous intermediate states with programmable energy barriers before the bistable structure reaches its critical point were reported.
By reshaping the structure from the metastable state to any intermediate state, the energy barrier decreases, meaning that smaller external stimulations are required to trigger the fast snap-through of the bistable structures. As the energy barrier keeps decreasing, the required external stimulation gets more and more delicate. That is how the researchers achieved a large range of adjustable trigger forces for the proposed controllable bistable structure.
Demostración de detección de fuerza ultrasensible y propiedades de respuesta rápida. La estructura propuesta puede ser activada por una gota y abejas voladoras cuando se sintoniza en estados intermedios con barreras de muy baja energía. 1 crédito
Para demostrar la compatibilidad de la estructura propuesta, los investigadores realizaron una serie de experimentos e ilustraron que la fuerza de activación de una sola estructura se podía establecer en el 0,1 % de su valor máximo, mientras que la diferencia en el peso levantado era del 10 %.7 veces mayor usando abrazaderas hechas por las estructuras propuestas con diferentes parámetros de diseño.
“Podemos configurar la estructura en un estado de ultrarreactividad para que responda a una estimulación diminuta tan suave como el toque de una abeja voladora, mientras que también podemos configurar la estructura en un estado insensible como incluso una bola voladora. con un peso de 110 g no podría romperse a través de su barrera de energía”, dijo el Dr. LI.
Una trampa para moscas robótica. El “pistilo” ultrasensible puede responder al toque suave de una abeja voladora en 10 ms, luego los “lóbulos” pueden cerrarse para atrapar a las abejas y luego volver a abrirse para liberarlas. 1 crédito
Para validar el potencial de la estructura en diversas aplicaciones, se desarrollaron varios prototipos, incluido un atrapamoscas robótico, pinzas, un saltador, un nadador, un interruptor térmico y un sistema de clasificación. Los prototipos demuestran que la trampa para moscas robótica con un “pistilo” sensible puede activarse mediante estimulación física en 10 ms; el receptor biestable puede capturar una pelota de tenis de mesa a alta velocidad (10 m/s); y el saltador de mínima alcanza una altura superior a 24 veces su altura corporal, etc.
“Nos complace descubrir que la estructura que proponemos podría usarse en una gama tan amplia de aplicaciones, lo que demuestra un rendimiento superior”, dijo el Dr. LI. “Este trabajo podría expandir las fronteras del diseño de estructuras biestables y allanar el camino para futuros diseños en robótica, ingeniería biomédica, arquitectura y arte cinético”.
Referencia: “Estructuras biestables ultrasintonizables para aplicaciones robóticas universales” por Yongkang Jiang, Yingtian Li, Ke Liu, Hongying Zhang, Xin Tong, Diansheng Chen, Lei Wang y Jamie Paik, 18 de abril de 2023, Informes de células de ciencias físicas.
DOI: 10.1016/j.xcrp.2023.101365
