På senare år har en helt ny klass av robotar – inspirerad av naturliga former och byggd med mjuka, flexibla elastomerer – har tagit fältet med storm, med design som kan greppa föremål, gående, och till och med hoppa.

Men trots dessa innovationer, så kallade "mjuka" robotar bar fortfarande några "hårda" delar.

Särskilt, sa Philipp Rothemund, en doktorand som arbetar i labbet hos Woodford L. och Ann A. Flowers University Professor George Whitesides, uppblåsningen och tömningen av robotarna styrdes vanligtvis av pneumatiska ventiler från hyllan – fram till nu.

Rothemund och postdoktor Daniel Preston har skapat en mjuk ventil som kan ersätta sådana hårda komponenter, och kan leda till skapandet av helt mjuka robotar. Ventilens struktur kan också användas för att producera unika, oscillerande beteende och kan till och med användas för att bygga mjuka logiska kretsar. Ventilen beskrivs i en nyligen publicerad tidning i Vetenskapsrobotik .

Förutom Rothemund och Preston, studien är medförfattare av Alar Ainla, Lee Belding, och Sarah Kurihara från institutionen för kemi och kemisk biologi, Zhigang Suo från Kavli Institute for Bionano Science &Technology, och Whitesides.

"Människor har byggt många olika typer av mjuka robotar ... och alla i slutändan styrs av hårda ventiler, " sa Rothemund. "Vår idé var att bygga in dessa kontrollfunktioner i själva roboten, så vi skulle inte behöva dessa hårda, externa delar längre. Denna ventil kombinerar två enkla idéer – för det första, membranet liknar "popper" leksaker, och det andra är att när du knäcker dessa rör, det är som när du knäcker en trädgårdsslang för att blockera vattenflödet."

Ventilen som demonstrerats av Preston och Rothemund är inbyggd i en cylinder som separeras av ett silikonmembran, skapa en övre och nedre kammare.

Trycksättning av den nedre kammaren tvingar membranet att dyka upp, och släpper trycket får den att hoppa tillbaka till sitt "vilande" tillstånd. Varje kammare innehåller också ett rör som kan böjas när membranet ändrar orientering, effektivt sätt på eller stänga av ventilen.

"I vilken riktning det än är, det kröker ett rör över eller under, " sa Preston. "Så när den har dykt ner, bottenröret är krökt, och det finns inget luftflöde genom bottenröret. När membranet dyker upp, toppröret är knäckt, bottenröret kommer att lossna, och luft kan strömma genom bottenröret. Vi kan växla fram och tillbaka mellan dessa två tillstånd ... för att byta utgång."

På vissa sätt, Preston och Rothemund sa, ventilen representerar ett nytt tillvägagångssätt för mjuk robotik.

Medan det mesta arbetet på området hittills har fokuserat på funktion – att bygga robotar som kan greppa eller fungera som mjuka kirurgiska indragare – ser Rothemund och Preston ventilen som en nyckelkomponent som kan användas i hur många enheter som helst.

"Tanken är att detta fungerar med alla mjuka ställdon, " sa Rothemund. "Detta svarar inte på frågan om hur man gör en gripare, men det tar ett steg tillbaka och säger att många mjuka robotar arbetar på samma princip om inflation och deflation, så alla dessa robotar kunde använda den här ventilen."

Preston och Rothemund kunde anpassa ventilen för att utföra vissa åtgärder, som att ta tag i ett föremål, självständigt.

I en demonstration, Rothemund förklarade, ventilen var inbyggd i en multifingergripare, men en liten ventil tillsattes för att tillåta lufttrycket att komma ut från ventilens bottenkammare. När griparen sänktes på en tennisboll, dock, ventilen var stängd, vilket gör att bottenkammaren blir trycksatt, aktivera ventilen, och sätta igång griparen.

"Så detta integrerar funktionen i roboten, " sa han. "Folk har gjort gripare förut, men det var alltid någon som stod där för att se att griparen var tillräckligt nära för att aktiveras. Detta gör det automatiskt."

Teamet kunde också bygga ett "feedback"-system som, när den matas av en singel, konstant tryck, fick ventilen att snabbt oscillera mellan tillstånden.

Väsentligen, Preston sa, systemet matade lufttryck genom den övre kammaren och in i botten. När ventilen hoppade in i det upphöjda läget, det skar av trycket, låter den nedre kammaren ventileras, släpper trycket och får membranet att återgå till nedre läget, starta cykeln igen.

"Vi utnyttjade det faktum att trycket som får membranet att vända upp är annorlunda än det tryck som krävs för att det ska vända neråt igen, " förklarade han. "Så när vi matar ut utgången tillbaka till själva ventilen, vi får det här oscillerande beteendet."

Att använda det beteendet, teamet kunde bygga en enkel "inchworm"-robot som kan röra sig baserad på en enda ventil som tar emot ett enda ingångstryck.

"Så med ett konstant tryck, vi kunde få denna gångrörelse, " sa Preston. "Vi kontrollerar inte den här promenaden alls - vi matar bara in ett enda tryck och det går av sig självt."

Går framåt, Rothemund sa:mer arbete behöver göras för att ytterligare förfina ventilen så att den kan optimeras för olika användningsområden och olika geometrier.

"Detta var bara en demonstration med membranet, " sa han. "Det finns många olika geometrier som visar den här typen av bistabilt beteende... så nu kan vi faktiskt tänka på att designa detta så att det passar i en robot, beroende på vilken applikation du har i åtanke."

Preston hoppas också att undersöka om ventilen - eftersom den alltid är i ett av två tillstånd - skulle kunna användas som en typ av transistor för att bilda logiska kretsar.

"Det är som en transistor på ett sätt, ", sa han. "Du kan få ett ingångstryck att komma in och ändra vad utgången kommer att bli... i den meningen skulle vi kunna tänka på det här nästan som en byggsten för en helt mjuk dator."

Den här historien är publicerad med tillstånd av Harvard Gazette, Harvard Universitys officiella tidning. För ytterligare universitetsnyheter, besök Harvard.edu.