A High-frequency Pneumatic Oscillator for Soft Robotics

要約

ソフトロボットは、さまざまな作動方法により多様な環境に高度に適応しますが、材料固有の特性により依然として大きな性能限界に直面しています。
これらの制限は、迅速な応答と大規模な動作を同時に保証するという課題として現れ、最終的にはロボットの絶対速度と全体的な効率を制限します。
このホワイトペーパーでは、これらの課題を克服するために高周波空気圧発振器 (HIPO) を紹介します。
当社の HIPO は、衝突による位相リセット機構を通じて、イベントベースの非線形性を利用して空気圧アクチュエータの自己発振を引き起こし、材料の固有特性を積極的に利用します。
これにより、システムは周期的な制御信号を自発的に生成し、動作応答を直接生成できるため、外部の作動コンポーネントを組み込む必要がなくなります。
空気流の内部エネルギーをロボットの運動エネルギーに効率的かつ迅速に変換することにより、HIPO は最大 20 Hz の周波数を達成します。
さらに、昆虫のような高速クローラー (最大速度 50.27 cm/s)、高周波の蝶のような羽ばたき、そして
機動力のあるアヒルのような泳ぎ手。
外部コンポーネントを排除し、信号生成、エネルギー変換、モーション出力をシームレスに融合することで、HIPO は迅速かつ効率的なモーションを解き放ち、高性能ソフト ロボティクスの可能性を解き放ちます。

要約(オリジナル)

Soft robots, while highly adaptable to diverse environments through various actuation methods, still face significant performance boundary due to the inherent properties of materials. These limitations manifest in the challenge of guaranteeing rapid response and large-scale movements simultaneously, ultimately restricting the robots’ absolute speed and overall efficiency. In this paper, we introduce a high-frequency pneumatic oscillator (HIPO) to overcome these challenges. Through a collision-induced phase resetting mechanism, our HIPO leverages event-based nonlinearity to trigger self-oscillation of pneumatic actuator, which positively utilizes intrinsic characteristics of materials. This enables the system to spontaneously generate periodic control signals and directly produce motion responses, eliminating the need for incorporating external actuation components. By efficiently and rapidly converting internal energy of airflow into the kinetic energy of robots, HIPO achieves a frequency of up to 20 Hz. Furthermore, we demonstrate the versatility and high-performance capabilities of HIPO through bio-inspired robots: an insect-like fast-crawler (with speeds up to 50.27 cm/s), a high-frequency butterfly-like wing-flapper, and a maneuverable duck-like swimmer. By eliminating external components and seamlessly fusing signal generation, energy conversion, and motion output, HIPO unleashes rapid and efficient motion, unlocking potential for high-performance soft robotics.

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