Fidget poppers är ett exempel på ”bistabilitet”, eftersom de poppade cirklarna vilar i ett av två stabila tillstånd. Forskare vid Purdue University har tagit denna idé till sin spets och byggt robotar som kan förprogrammeras och styras med hjälp av just de fysiska egenskaperna hos dessa fidget poppers.
”Bistabilitet är ett viktigt begrepp som finns i naturen”, säger Andres Arrieta, Doug and Cathy Field Rising Star Professor of Mechanical Engineering. ”Tvestjärtar har till exempel bistabila, vikbara vingar som snäpper till ett öppet tillstånd med mycket liten energi. Venusflugfällan stänger också sina blad med hjälp av bistabila mekanismer. Vi arbetar med att skapa programmerbara strukturer inspirerade av denna bistabilitet.”
Arrietas team har utforskat många användningsområden för denna bistabilitet, från formförändrande möbler till morfande flygplansvingar. Men de har fokuserat på en mekanism i synnerhet: fidget popper. Detta märkliga och tillfredsställande metamaterial har potential att lagra energi, utföra arbete och fungera som en mekanisk dator. Arrietas team byggde till och med ett jätteformat fidget-ark för att demonstrera konceptet för nya studenter.
Men för att utnyttja deras kraft maximalt måste man kunna hantera och kontrollera dem. ”Genom att sätta ihop flera av dessa kupoler kan vi skapa mjuka robotar som gripdon och gånghjälpmedel”, säger Juan Osorio (Ph.D.), som nu är postdoktorand i Arrietas laboratorium.
”Vi kan ange avståndet för varje kupols stabila tillstånd, så att vi kan förutsäga exakt vilken krökning den slutliga griparmen kommer att ha, beroende på hur många kupoler vi aktiverar.”
”Kupolerna” är tillverkade av 3D-printad termoplastisk polyuretan, ett elastiskt material. Genom att specificera materialet kan Osorio exakt bestämma hur långt kupolerna sticker ut när de aktiveras med tryckluft.
3D-printning av kupolerna möjliggör också ”metastabilitet”, vilket är hemligheten bakom denna nya generation av mjuka robotar.
Forskare i maskinteknik vid Purdue University stack nålar i denna robotgriparm för att avsiktligt försämra dess prestanda, men den fungerade fortfarande korrekt. Denna typ av robusthet är viktig för att mjuka robotar ska kunna överleva i utmanande miljöer. Källa: Purdue University/Jared Pike
”Metastabila kupoler är ganska intressanta”, säger han. ”När vi trycker på dessa kupoler förblir de stabila under en kort tid, men snäpper sedan tillbaka automatiskt. Detta gör det möjligt för oss att programmera en tidsberoende respons i våra system med hjälp av geometrin hos dessa metastabila kupoler.”
Deras forskning om dessa nya styrsystem har publicerats i Advanced Science.
Osorio och hans team byggde två typer av mjuka robotar för att demonstrera: en gripdon och en gånghjälp. Med gripdonet använde Osorio bistabila kupolers förutsägbarhet för att möjliggöra en datorfri metod för att avkänna och klassificera objektens storlek och vikt.
Roboten försöker lyfta objektet med endast en uppsättning kupoler aktiverade, säger Osorio. Om den inte kan greppa det aktiverar den den andra uppsättningen, och så vidare. Eftersom vi känner till de exakta dimensionerna på öppningen när den aktiveras kan vi bestämma objektets storlek med hjälp av kupolernas geometri. Sedan återgår de metastabila kupolerna till sitt ursprungliga läge efter en viss tid, vilket gör att gripdonet släpper objektet.”
Precis som leksakerna fidget poppers har kupoler som vilar i ett av två stabila lägen, har forskarna vid Purdue University placerat bistabila och metastabila kupoler i 90 graders vinkel mot varandra i benen på denna mjuka robot. Dessa kupoler gör det möjligt att förprogrammera en gångrörelse i benens fysiska geometri. Källa: Purdue University/Jared Pike
Gångroboten är lite mer komplex, med en blandning av metastabila och bistabila kupoler i olika vinklar. Genom att placera dem i en viss ordning och aktivera dem kan roboten röra sig framåt eller svänga åt vänster och höger.
”Vi skickar inte olika kommandon via en dator; allt är förprogrammerat i robotens ben med hjälp av strukturens geometri”, säger Osorio. ”Metastabiliteten ger oss en kontroll som vi inte skulle kunna uppnå med enbart bistabilitet.”
Det ger också robusthet. Osorio testade griparmarnas skadetolerans genom att sticka domerna med ett stort antal nålar, vilket allvarligt försämrade lufttrycksaktiveringssystemet. Men tack vare domernas fysiska egenskaper fortsatte griparmarna att fungera och behålla sin form.
Det slutgiltiga målet med denna forskning är att skapa robotar som kan fungera utan behov av inbyggda datorer, batterier, sensorer eller andra elektroniska hjälpmedel.
”Vi vill bygga robotar som kan fungera i svåra miljöer”, säger Osorio. ”Det är svårt att förlita sig på elektronik i en miljö som rymden, en kärnreaktor eller havets botten. Fysiska system som våra metastabila robotar kan vara ett utmärkt alternativ för att utföra uppgifter i svåra miljöer.”
Mer information: Juan C. Osorio et al, Embodying Control in Soft Multistable Robots from Morphofunctional Co‐design, Advanced Science (2025). DOI: 10.1002/advs.202503206
