Ingenieure von UC Riverside haben einen luftbetriebenen Computerspeicher vorgestellt, der zur Steuerung von Softrobotern verwendet werden kann. Die Innovation überwindet eines der größten Hindernisse für die Weiterentwicklung der Softrobotik: das grundlegende Missverhältnis zwischen Pneumatik und Elektronik.
Pneumatische Softroboter verwenden Druckluft, um weiche, gummiartige Gliedmaßen und Greifer zu bewegen, und sind herkömmlichen starren Robotern bei der Ausführung heikler Aufgaben überlegen. Sie sind auch sicherer für den Menschen. Baymax, der Begleitroboter für das Gesundheitswesen im Disney-Animationsfilm Big Hero 2014 aus dem Jahr 6, ist aus gutem Grund ein pneumatischer Roboter.
Bestehende Systeme zur Steuerung pneumatischer Softroboter verwenden jedoch immer noch elektronische Ventile und Computer, um die Position der beweglichen Teile des Roboters beizubehalten. Diese elektronischen Teile erhöhen den Kosten-, Größen- und Leistungsbedarf von Softrobotern erheblich und schränken ihre Machbarkeit ein.
„Pneumatische Logik“ ist älter als elektronische Computer und bot einst fortschrittliche Steuerungsebenen in einer Vielzahl von Produkten, von Thermostaten und anderen Komponenten von Klimaanlagen bis hin zu Player Pianos in den frühen 1900er Jahren. In der pneumatischen Logik fließt Luft, nicht Elektrizität, durch Kreise oder Kanäle, und Luftdruck wird verwendet, um ein/aus oder wahr/falsch darzustellen. In modernen Computern werden diese logischen Zustände durch 1 und 0 im Code dargestellt, um elektrische Ladungen auszulösen oder zu beenden.
Pneumatische Softroboter benötigen eine Möglichkeit, sich die Positionen ihrer beweglichen Teile zu merken und beizubehalten. Die Forscher erkannten, dass sie, wenn sie ein pneumatisches logisches „Gedächtnis“ für einen weichen Roboter erstellen könnten, den derzeit dafür verwendeten elektronischen Speicher eliminieren könnten.
Die Forscher stellten ihren pneumatischen Direktzugriffsspeicher oder RAM-Chip mit Mikrofluidikventilen anstelle von elektronischen Transistoren her. Die mikrofluidischen Ventile wurden ursprünglich entwickelt, um den Flüssigkeitsfluss auf mikrofluidischen Chips zu steuern, können aber auch den Luftfluss steuern. Die Ventile bleiben gegen Druckdifferenzen abgedichtet, selbst wenn sie von einer Luftversorgungsleitung getrennt sind, wodurch eingeschlossene Druckdifferenzen erzeugt werden, die als Speicher fungieren und die Zustände der Aktuatoren eines Roboters aufrechterhalten. Dichte Anordnungen dieser Ventile können fortschrittliche Operationen ausführen und die teure, sperrige und energieverbrauchende elektronische Hardware reduzieren, die typischerweise zur Steuerung pneumatischer Roboter verwendet wird.
Nach der Modifizierung der Mikrofluidikventile, um größere Luftstromraten zu bewältigen, produzierte das Team einen pneumatischen 8-Bit-RAM-Chip, der größere und sich schneller bewegende weiche Roboter steuern kann, und integrierte ihn in ein Paar 3D-gedruckte Gummihände. Der pneumatische RAM verwendet atmosphärische Luft, um einen Wert von „0“ oder FALSCH darzustellen, und Vakuum, um einen Wert von „1“ oder WAHR darzustellen. Die weichen Roboterfinger werden gestreckt, wenn sie mit Atmosphärendruck verbunden sind, und zusammengezogen, wenn sie mit dem Vakuum verbunden sind.
Durch Variation der Kombinationen von atmosphärischem Druck und Vakuum innerhalb der Kanäle auf dem RAM-Chip konnten die Forscher den Roboter dazu bringen, Noten, Akkorde und sogar ein ganzes Lied – „Mary Had a Little Lamb“ – auf einem Klavier zu spielen.
Theoretisch könnten mit diesem System auch andere Roboter ohne elektronische Hardware und nur eine batteriebetriebene Pumpe zur Vakuumerzeugung betrieben werden. Die Forscher stellen fest, dass ohne Überdruck irgendwo im System – nur bei normalem atmosphärischem Luftdruck – keine Gefahr einer versehentlichen Überdruckbeaufschlagung und eines gewaltsamen Ausfalls des Roboters oder seines Steuerungssystems besteht. Roboter, die das verwenden Technologie wäre besonders sicher für den empfindlichen Gebrauch am oder in der Nähe von Menschen, wie beispielsweise tragbare Geräte für Säuglinge mit motorischen Beeinträchtigungen.
