3D-Printed Hydraulic Fluidic Logic Circuitry for Soft Robots

要約

ソフトロボティクスと流体ロジックの融合は、優れた柔軟性と潜在的な機械知能を備えた統合型ロボットのイノベーションに火をつけた。しかし、現在の流体駆動ソフトロボットは、入力制御装置の数が多いか、駆動力に限界があるという問題を抱えている。ここでは、3Dプリンティング技術を活用した、液体駆動ソフトロボット用の液圧流体ロジック回路を提案する。このシステムの基本的な構成要素は、液圧式ノーマルオンおよびノーマルオフ論理ゲート、すなわちNOTおよびANDと、ORとして機能する多連結チャネル構造である。最小入力設計原理を利用することで、XORゲートを2つのバルブだけに簡素化し、センサーのないエラー検出器を構築することができる。この設計原理は、増幅器と同様に全加算器にも拡張でき、システムのフロー効率を大幅に改善できる。さらに、液体の非圧縮性を利用し、最小入力設計原理を用いて論理回路を最適化することで、組合せ流体論理を組み込んだ4脚型ソフトロボットを発表し、わずか2つの入力で制御される双方向の亀のような運動を実現した。このロボットは、高負荷下での歩行や制御可能な水中運動が可能である。この液圧流体ソフトロボットシステムは、少数の入力を利用して複数の異なる出力を制御し、外部入力のみに基づいて回路の内部状態を変化させるもので、マイクロ流体工学、流体論理学、および機械知能を備えた無手先ソフトロボットの複雑な内部システムの開発に大きな期待を寄せている。

要約(オリジナル)

The confluence of soft robotics and fluidic logic have sparked innovations in integrated robots with superior flexibility and potential machine intelligence. However, current fluidically driven soft robots suffer from either a large number of input controlling devices, or limited driving power. Here, we propose a hydraulic fluidic logic circuitry for liquid driven soft robots, leveraging 3D printing technologies. The fundamental building blocks of the system are hydraulic normally-on and normally-off logic gates, namely NOT and AND, along with a multi-connected channel structure functioning as OR. Using minimal-input design principles, the XOR gate can be simplified to only two valves, and used to construct a sensor-free error detector. The design principle can also be extended to full adders, as well as amplifiers, which can greatly improve the flow efficiency of the system. Additionally, taking advantage of the incompressible nature of liquid and optimized logic circuitry using the minimal-input design principle, we present a quadruped soft robot integrated with combinational fluidic logic, realizing bidirectional turtle-like locomotion, controlled by only two inputs. The robot is capable of walking under heavy load and performing controllable underwater locomotion. This hydraulic fluidic soft robotic system utilizes a small number of inputs to control multiple distinct outputs, and alters the internal state of the circuit solely based on external inputs, holding significant promises for the development of microfluidics, fluidic logic, and intricate internal systems of untethered soft robots with machine intelligence.

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