Американські інженери створили прототип пневматичного крокуючого робота із застосуванням м'яких матеріалів, в якому немає електромеханічних компонентів і електроніки. Пристрій управляється за допомогою системи клапанів, що утворюють логічні схеми і працюють тільки за рахунок стислих газів. Походка робота імітує рухи черепахи, він здатний змінювати напрямок руху і працювати автономно від балона з вуглекислим газом. Роботи без електричних компонентів можуть безпечно працювати, наприклад, в місцях з високим вмістом вибухонебезпечних газів, коли необхідно виключити можливість випадкового виникнення іскри, або в умовах, де неприпустима наявність металевих елементів, наприклад, всередині працюючих магнітно-резонансних томографів, йдеться в статті, опублікованій в журналі
Застосування м'яких матеріалів у конструкції роботів дозволяє використовувати їх у випадках, коли потрібна безпечна взаємодія з людиною і оточенням, наприклад, в медицині. Крім того, гнучкість і податливість дозволяє м'яким роботам підлаштовуватися під складні поверхні. Наприклад, гнучкі маніпулятори у вигляді щупальця можуть захоплювати предмети складної форми, обвиваючись навколо них.
Щоб приводити м'яких роботів у рух інженери часто використовують пневматичні актуатори, що пояснюється невисокою складністю створення таких механізмів і широкою комерційною доступністю основних компонентів. Для роботи пневматичного актуатора за допомогою насосів у герметичну камеру, розташовану всередині елемента конструкції м'якого робота, нагнітається надлишковий тиск через що той асиметрично деформується, згинаючи або розгинаючи маніпулятор.
Для роботи системи з пневматичних насосів і клапанів зазвичай використовується додаткове електрообладнання: електромотори і соленоїди, а управління здійснюється за допомогою мікроконтролерів. Однак, це може бути не завжди прийнятно, наприклад, при роботі в сильних магнітних полях або через небезпеку утворення іскор в умовах підвищеного вмісту вибухонебезпечних газів. Крім того, електрообладнання та електронні компоненти можуть обмежувати рухливість гнучкого робота з безліччю ступенів свободи і не вписуватися в концепцію м'якого пристрою.
Для того щоб обійти ці обмеження американські інженери з Каліфорнійського університету в Сан-Дієго під керівництвом Майкла Толлі (Michael Tolley) створили прототип пневматичного робота з м'якими ногами, в конструкції якого немає електронних і електромеханічних компонентів. Його актуатори і система управління діють тільки за рахунок пневматики від одного і того ж джерела тиску.
Демонстраційний прототип робота складається з корпусу, виконаного за допомогою 3D-друку з PLA-пластику, на якому під кутом 45 градусів закріплені ноги, а також пневматичні клапани системи управління, з'єднані трубопроводами. Кожна нога довгою 173 міліметри складається з трьох паралельних гофрованих трубок, які утворюють герметичні камери. При збільшенні тиску в одній з трубок відбувається вигин кінцівки в протилежний бік. Таким чином, нагнітаючи тиск в кожну з трьох камер можна відхиляти ногу робота в потрібному напрямку. Інженери домоглися осцилюючого руху ноги, нагнітаючи і зменшуючи тиск послідовно в кожній з трьох трубок, тим самим піднімаючи і опускаючи ногу по круговій траєкторії. Патерн руху всіх чотирьох кінцівок робота розробники запозичили у африканської бокошейної черепахи, яка при ходьбі попарно пересуває лапи, розташовані по діагоналі.
Система керування роботом складається з з з'єднаних у цифрові логічні схеми клапанів. Хоча спроби використовувати мікрофлюїдні логічні елементи для створення прототипів м'яких роботів здійснювалися і раніше, однак застосувати такий підхід для складнокоординованого руху крокоходу інженерам вдалося вперше.
Пневматичні клапани, що діють як логічні інвертори, з'єднуються по три елементи в кільцеві генератори, які при підключенні зовнішнього джерела тиску направляють потік газу послідовно в кожну з трьох камер, попарно з'єднаних по діагоналі ніг. При цьому залежно від варіанту взаємного підключення кожної з двох пар ніг до висновків генератора одна з них може крокувати із запізнюванням по фазі відносно другої, імітуючи тим самим послідовну роботу діагональних пар лап черепахи. Таким чином, достатньо трьох клапанів, щоб керувати всіма чотирма ногами крокохода.
Однак така схема роботи не оптимальна, оскільки в ній можливо реалізувати тільки фази запізнювання 0, 120 і 240 градусів (при значенні фази 0 всі ноги робота працюють в унісон і не відриваються від поверхні), а в походці черепахи фаза в роботі пар лап становить близько 180 градусів. Це оптимальне значення, при якому досягається максимальна швидкість пересування. Як виявилося такої фази можна домогтися, ускладнивши схему управління, додавши в неї другий кільцевий генератор і клапан підбудови фази, який задіюється тільки для початкового налаштування запізнювання пар ніг щодо один одного. Завдяки такій схемі вдається отримати оптимальну роботу ніг крокохода, але при цьому зростає вага робота, що негативно впливає на швидкість його переміщення. Вимірена розробниками швидкість переміщення при значенні кута фази 180 склала 0.090 довжини тіла робота в секунду, тоді як максимальна швидкість в неоптимальній конфігурації з трьома клапанами і фазою 120 градусів тільки 0.024 довжини тіла в секунду. Крім того, додавання нових елементів збільшує вагу пристрою і зменшує надійність пристрою, тому інженери в експериментах використовували в основному першу схему управління з одним генератором.
Розробники продемонстрували можливість крокохода рухатися у всіх напрямках і навіть розвертатися. Для цього вони додали в схему бістабільний керуючий клапан, що працює за принципом двополюсного перемикача на два напрямки (DPDT), за допомогою якого можна організувати реверсивний напрямок роботи кільцевих генераторів, змінюючи тим самим послідовність заповнення камер в ногах крокохода, а отже, і напрямок руху кінцівок на зворотний. Такий перемикач реверсу, поєднаний з винесеним за межі корпусу на штанзі датчиком зіткнення (теж заснованим на бістабільному клапані, який перемикається при торканні про перешкоду), дозволить істотно підвищити автономність пневматичного робота.
Більшість експериментів з пристроєм розробники виконували з харчуванням стисненим повітрям від зовнішнього джерела тиску по трубопроводу. Однак робот може працювати і від переносного джерела енергії. Для цього інженери використовували балони зі стисненим вуглекислим газом. Невеликого балона вагою 57 грамів з регулятором тиску до 140 кілопаскаль вистачає на 45 секунд автономної роботи, а балон вагою 306 грамів дозволяє роботу функціонувати до чотирьох хвилин.
Крім м'яких роботів, керованих за допомогою пневматики, група інженерів під керівництвом Майкла Толлі розробляє пристрої, в яких використовуються актуатори та інших типів. Так, наприклад, раніше ними був створений робот, що приводиться в рух за допомогою рідкокристалічного еластомера, а також підводний робот-кальмар з м'яких матеріалів для підводних досліджень.