Development of a novel variable stiffness device based on magneto-rheological elastomers for soft robots

Yumuşak robot teknolojisindeki en büyük zorluklardan biri sertliğin değişkenliği ve kontrol edilebilirliğidir. Yumuşak robotların çevre ile hünerli ve güvenli etkileşimler sağlaması için yumuşaklık gerekirken, gerektiğinde de kuvvetleri iletmek için sertlik gerekir. Yumuşak robotların sertlik değişimi, aktif elemanların antagonistik düzenlen-mesi, vakumla sıkışma ve manyetik alan altında viskozite değişimi gibi sertleştirme yöntemleriyle elde edilmiştir. Bu metotlar, sertleşme hızı, sertleşme modları ve sertlik değişimi açısından karşılaştırılabilir. Manyetoreolojik elastomerler (MRE'ler) yanıt süresinde iyidir ve eğilme, çekme ve sıkıştırma gibi farklı sertleştirme modları için uygundur. Ancak sertlik değişim verileri çok yüksek bir manyetik alan uygulandığında yüksek değerlere ulaşabilir. Sıkıştırma bazlı yöntemleri cazip kılan ise imalat, düşük maliyet ve setlik değişimi özellikleridir. Ancak bu teknoloji kayda değer bir hıza sahip değildir ve dahası bu yöntem, sistem entegrasyonunu karmaşık hale getiren bir vakum poşeti kullanmayı gerektirir. Yumuşak robotlar ile ilgili yapılan akademik çalışmalarda bu iki yöntemin bir arada kullanıldığı bir araştırmaya rastlanmamıştır. Bu tezde, yumuşak robotların sertleştirilmesi için sıkışmaya dayalı bir yaklaşımı viskoziteye dayalı bir yaklaşımla birleştiren hibrit bir yöntem önerilmiştir. Önerilen yöntem MRE'lerin manyetik sıkışmasının avantajlarından yararlanılarak sertlik değişimi yarattığı için yenilikçidir. Bu yöntemi kanıtlamak için birtakım adımlar atılmıştır. İlk olarak, manyetik parçacıkların hacimsel oranının sertlik değişimi üzerindeki etkisini analiz etmek için MRE'lerin bükülme davranışı analitik, sayısal ve deneysel olarak incelenmiştir. İkincisi, hem sıkıştırma hem de viskoelastisite değişkenliği nedeniyle sertlik değişimini kontrol ederek MRE tabakalarının manyetik sıkışmasındaki benzersiz mekaniği araştırmak için iki adet esnek Neodimyum-Demir-Bor (NdFeB) mıknatıs ile MRE'lerden oluşan çok katmanlı bir sıkıştırma yapısı geliştirilmiştir. Üçüncüsü, MRE'lerden ve bir adet esnek NdFeB mıknatıstan oluşan fiber sıkıştırma yapısı geliştirilmiş ve yumuşak bir robot olan STIFF-FLOP'a entegre edilmiştir. MRE liflerinin manyetik sıkışması durumunu kanıtlamak için robot üzerinde gerekli sertleştirme testleri yapılmıştır. Elde edilen sonuçlar, önerilen yöntem ile bükme ve sıkıştırmada sertlik kazancının olduğunu göstermektedir. Son olarak, elektronik olarak kontrol edilen manyetik sıkıştırma ve sertleştirmenin olası bir uygulaması, sürekli elektro-kalıcı mıknatısların STIFF-FLOP robotuna yerleştirilmesi ile ispat edilmiştir. Bu tezin bulguları, sıkıştırma ve viskoelastisite değişikliğinin birleştirilmesi ile oluşturulan, sertleştirme için önerilen hibrit yöntemin, yumuşak robotlarda değişken ve kontrol edilebilir sertlik elde etmek için umut verici bir yaklaşım olduğunu göstermektedir.