Advanced Control Strategies of Light-Responsive Polymers for Soft Robotics
Lahikainen, Markus (2021)
Lahikainen, Markus
Tampere University
2021
Tekniikan ja luonnontieteiden tohtoriohjelma - Doctoral Programme in Engineering and Natural Sciences
Tekniikan ja luonnontieteiden tiedekunta - Faculty of Engineering and Natural Sciences
This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Väitöspäivä
2021-10-01
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:ISBN:978-952-03-2099-7
https://urn.fi/URN:ISBN:978-952-03-2099-7
Tiivistelmä
Pehmeä robotiikka on nopeasti kehittyvä tutkimusala, mikä pyrkii tuottamaan uusia pehmeisiin materiaaleihin pohjautuvia ratkaisuja nykyisin käytössä oleville metallikuorisille roboteille, joiden liikettä ohjataan sähköllä elektronisten komponenttien avulla. Lupaavimmat materiaalit pehmeiden robottien valmistuksessa ovat ”älykkäät”, ulkoisiin ärsykkeisiin reagoivat polymeerit, joiden liikettä voidaan ohjata käyttämällä polttoaineena valoenergiaa. Nämä niin sanotut valoaktuaattorit pystyvät absorboimaan valoenergiaa ja muuttamaan sen avulla muotoaan. Tyypillisen valoaktuaattorin toiminta perustuu valokemialliseen ilmiöön, eli ne sisältävät valoon reagoivia molekyylikytkimiä, joiden muotoa ja muita ominaisuuksia voidaan muuttaa valon avulla. Toinen tapa perustuu valotermiseen ilmiöön, jossa esimerkiksi orgaaniset molekyylit absorboivat valoa, muuttavat sen lämpöenergiaksi ja edelleen mekaaniseksi liikkeeksi.
Tässä väitöskirjassa valoaktuaattorien ja pehmeiden robottien valmistuksessa käytetään kahta erilaista materiaalia: nestekidepolymeerejä ja hydrogeelejä. Nestekidepolymeerit mahdollistavat ennalta ohjelmoitavan muodonmuutoksen, jolloin saman materiaalin avulla pystytään tuottamaan erilaista liikettä. Hydrogeeleissä monimutkaiset muodonmuutokset voidaan ohjelmoida muuttamalla materiaalin ominaisuuksia paikallisesti polymeerin valmistuksen jälkeen. Molemmat materiaalit kykenevät reversiibeliin muodonmuutokseen valoenergian avulla ja ovat siksi erinomaisia materiaaleja pehmeässä robotiikassa. Hyödyntämällä sekä valotermistä että valokemiallista ilmiötä, tässä väitöskirjassa tutkitaan kolmea ohjausstrategiaa valoaktuaation aikaan saamiseksi: 1) itse ylläpidettyä liikettä kuten valomekaanista oskillaatiota, 2) moniväriaktuaatioita, jossa käytetään valon eri aallonpituuksia tuottamaan erilaista liikettä, ja 3) uudelleenohjausta, jossa aktuaattori voidaan valmistuksen jälkeen ohjelmoida liikkumaan eri tavoin. Tämän väitöskirjan tulokset syventävät ymmärrystä valotermisen ja valokemiallisen ilmiöiden roolista valoaktuaatiossa ja tarjoavat uusia ohjausstrategioita pehmeille roboteille.
Tässä väitöskirjassa valoaktuaattorien ja pehmeiden robottien valmistuksessa käytetään kahta erilaista materiaalia: nestekidepolymeerejä ja hydrogeelejä. Nestekidepolymeerit mahdollistavat ennalta ohjelmoitavan muodonmuutoksen, jolloin saman materiaalin avulla pystytään tuottamaan erilaista liikettä. Hydrogeeleissä monimutkaiset muodonmuutokset voidaan ohjelmoida muuttamalla materiaalin ominaisuuksia paikallisesti polymeerin valmistuksen jälkeen. Molemmat materiaalit kykenevät reversiibeliin muodonmuutokseen valoenergian avulla ja ovat siksi erinomaisia materiaaleja pehmeässä robotiikassa. Hyödyntämällä sekä valotermistä että valokemiallista ilmiötä, tässä väitöskirjassa tutkitaan kolmea ohjausstrategiaa valoaktuaation aikaan saamiseksi: 1) itse ylläpidettyä liikettä kuten valomekaanista oskillaatiota, 2) moniväriaktuaatioita, jossa käytetään valon eri aallonpituuksia tuottamaan erilaista liikettä, ja 3) uudelleenohjausta, jossa aktuaattori voidaan valmistuksen jälkeen ohjelmoida liikkumaan eri tavoin. Tämän väitöskirjan tulokset syventävät ymmärrystä valotermisen ja valokemiallisen ilmiöiden roolista valoaktuaatiossa ja tarjoavat uusia ohjausstrategioita pehmeille roboteille.
Kokoelmat
- Väitöskirjat [4991]