Soft Haptic Interface based on Vibration and Particle Jamming

Whilst common in devices ranging from smart-phones to game controllers, vibrotactile feedback has generally been limited to providing a uniform sensation across a tactile surface. We propose a haptic interface based on the emerging physical effect of particle jamming with both vibrotactile and shape changing outputs, which can be extended in space to create haptic surfaces and devices with shape and vibrotactile responses localised to one part of the device. This paper gives an overview of the physical principles behind this technology and presents detailed performance metrics obtained from a working prototype. These include experimental characterization of the relationships between air pressure and electric motor power and vibration amplitude and frequency which show that it is possible to control vibrotactile amplitude and frequency independently

Beyond jamming grippers: granular material in robotics

Robot grippers based on the jamming of granular material have been studied widely in previous years. Recently, also other benefits and challenges of granular material have emerged for robotics. We discuss various functions of granular matter in robotic actuation, sensory processing, locomotion, and manipulation. We also provide a review of the design and methods of robots for moving in or on challenging granular environments. Drawing on the properties of granular material and their potential applications, we propose our unique perspectives and innovative ideas for future research and development in this field

GRAINS: Proximity Sensing of Objects in Granular Materials

Proximity sensing detects an object's presence without contact. However, research has rarely explored proximity sensing in granular materials (GM) due to GM's lack of visual and complex properties. In this paper, we propose a granular-material-embedded autonomous proximity sensing system (GRAINS) based on three granular phenomena (fluidization, jamming, and failure wedge zone). GRAINS can automatically sense buried objects beneath GM in real-time manner (at least ~20 hertz) and perceive them 0.5 ~ 7 centimeters ahead in different granules without the use of vision or touch. We introduce a new spiral trajectory for the probe raking in GM, combining linear and circular motions, inspired by a common granular fluidization technique. Based on the observation of force-raising when granular jamming occurs in the failure wedge zone in front of the probe during its raking, we employ Gaussian process regression to constantly learn and predict the force patterns and detect the force anomaly resulting from granular jamming to identify the proximity sensing of buried objects. Finally, we apply GRAINS to a Bayesian-optimization-algorithm-guided exploration strategy to successfully localize underground objects and outline their distribution using proximity sensing without contact or digging. This work offers a simple yet reliable method with potential for safe operation in building habitation infrastructure on an alien planet without human intervention.Comment: 35 pages, 5 figures,2 tables. Videos available at https://sites.google.com/view/grains2/hom

Granular Jamming: Stiffness vs Pressure and Organ Palpation Devices

The intent of this thesis it to find a correlation between the stiffness of granular jammed particles and the pressure of the vacuum initiating the jamming force. Currently, granular jamming is being used to create palpation simulators for physicians to practice feeling the variety of stiffnesses of organs when healthy or ill. Because granular jamming allows for variable stiffness of any shape, it is an apt phenomenon to simulate the change of rigidity organs like the liver undergoes when diseased. For physicians to correctly identify how stiff the organ must be when using these palpation simulators, there needs to be a way to know how much pressure must be applied to correctly simulate the stiffness of the organ for each specific scenario. This thesis will discuss how pressure affects stiffness by using the three-point bending test. To perform this test, a tubular balloon filled with coffee granules was used to represent the beam. An impact force as well as a hanging force was used to displace the beam. The displacement of the beam is adequate to find the Young\u27s Modulus or stiffness of the beam of granules at different pressures provided by the vacuum. It was found that there is a correlation between stiffness and pressure of a granular jammed system. This will allow for future physicians to accurately and consistently use model organs to practice palpation techniques

触覚フィードバックを用いた体性感覚の操作

人間が自らの肉体に対して持つ興味は大きい．多くの人間は体力的・知能的・美的な面で他の人間よりも優れた肉体を欲すると考えられ，また様々な特殊な体を持つ空想上のキャラクターに憧れ人間とは異なる構造の身体に興味を持つ物も多いであろう．だが身体機能の向上のためには通常長期間の継続した訓練を必要とし，人間とは異なる身体への変身は不可能であるといえる．科学技術の発展に伴い肉体形状および運動機能への物理的な介入方法が広まりつつあるが，未だに身体的リスクと金銭的コストが高く，複雑な装置を必要とするため誰もが気軽に利用できるものではない．このような背景から本研究では，人間の肉体そのものに介入するのではなく，肉体が生成する感覚である体性感覚を肉体外部から操作することで肉体の主観的特性を操作することを目標とする．主に身体表面の感覚を刺激するアクチュエータとして広く使われているボイスコイル型振動子は，様々な触感の呈示を簡便なセットアップで実現できる．したがってこれを身体運動に同期させて駆動する振動フィードバックシステムを開発し，運動に伴って発生する身体内部の感覚を操作することを試みる．体性感覚の操作に関する本研究は2 つの戦略によって構成される．一つは体性感覚の「増強」である．これは自己身体運動を把握する能力を高め，より鮮明に，あるいは詳細に運動状態を知覚させる量的な操作である．一方で，もう一つの戦略は体性感覚の質的な操作である「変調」である．これは身体自体の硬さや重さといった特性を変化させることであり，結果として身体を構成する材質・構造を主観的に変調することになる．これら2 つの戦略に沿った具体的な手法を，体性感覚の増強に関して2 件，変調に関しても2件設計した．体性感覚の増強に関しては，第一にロータリスイッチの回転に伴うカチカチとした触覚・力覚フィードバック「カチカチ感」に着目した．これを肘関節に付与して運動時の体性感覚を鮮明化し，腕立て伏せ姿勢の教示を試みた（第3 章）．第二に，自動車運転におけるアクセルペダルの操作を補助するため，ペダルの角度が一定値変化する度に瞬間的なクリック振動を呈示することで，ペダル角度の把握能力向上および操作性向上を試みた（第4 章）．体性感覚の変調に関しては，第一に様々な材質の衝突振動を再現する減衰正弦波モデルに着目し，これを身体運動に同期させて呈示することで身体材質感の変調を試みた（第5 章）．これによりロボットやゴム人間といった特殊なキャラクターの体性感覚の再現を目指した．第二に，ロボットキャラクターのみに着目し，実際のロボットに生じる振動加速度を記録・モデリング・再生する手法によりロボットの内部構造に起因する体性感覚まで再現することを試みた（第6 章）．またロボット感体験の総合的なリアリティ向上のため高品質な視覚・聴覚刺激を組み合わせたバーチャルリアリティゲームを開発した．また体性感覚の操作をより広範囲で行うため，既存の触覚ディスプレイの問題点を考察し，身体広範囲に均等な触覚刺激を呈示する触覚ディスプレイを開発した（第7 章）．最後に本研究全体のまとめと結論を述べ，今後の展望を示す（第8 章）．電気通信大学201

Surface and Interface Engineering for Organic Device Applications

In the last few decades, organic materials (or carbon-based materials in a broad sense), including polymers, have received much attention for their potential applications in electronics, because they have outstanding advantages such as high processibility, mechanical flexibility, and low weight. Extensive research efforts have thus been devoted to the development and advancement of organic materials for various applications, covering a wide range from molecular design to device fabrication methods. In addition, it has been recognized that surfaces and interfaces play a crucial role in the operation and performance of the devices. For instance, various interactions at organic–metal interfaces are of great importance in organic epitaxy, and also have a strong correlation with intermolecular structures and their electronic properties. In this context, the main focus of this Special Issue was collecting scientific contributions addressing surface and interface engineering with organic materials, and related applications. The diversity of contributions presented in this Special Issue exhibits relevant progress and the potential of organic materials in a variety of applications that are not limited to the fabrication of organic devices

Modular robots for sorting

Current industrial sorting systems allow for low error, high throughput sorts with tightly constrained properties. These sorters, however, are often hardware limited to certain items and criteria. There is a need for more adaptive sorting systems for processes that involve a high throughput of heterogeneous items such as import testing by port authorities, warehouse sorting for online retailers, and sorting recycling. The variety of goods that need to be sorted in these applications mean that existing sorting systems are unsuitable, and the objects often need to be sorted by hand. In this work I detail my design and control of a modular, robotic sorting system using linear actuating robots to create both low-frequency vibrations and peristaltic waves for sorting. The adaptability of the system allows for multimodal sorting and can improve heterogeneous sorting systems. I have designed a novel modular robot called the Linbot. These Linbots are based on an actuator design utilising a voice coil for linear motion. I designed this actuator to be part of a modular robot by adding on-board computation, sensing and communication. I demonstrate the individual characteristics of these robots through a series of experiments in order to give a comprehensive overview of their abilities. By combining multiple Linbots in a collective I demonstrate their ability to move and sort objects using cooperative peristaltic motion. In order to allow for rapid optimisation of control schemes for Linbot collectives I required a peristaltic table simulator. I designed and implemented a peristaltic table simulator, called PeriSim, due to a lack of existing solutions. Controllers optimised in simulation often suffer from a reduction in performance when moved to a real-world system due to the inaccuracies in the simulation, this effect is called the reality gap. I used a method for reducing the reality gap called the radical envelope of noise hypothesis, whereby I only modelled the key aspects of peristalsis in PeriSim and then varied the underlying physics of the simulation between runs. I used PeriSim to optimise controllers in simulation that worked on a real-world system. I demonstrate the how the Linbots and PeriSim can be used to build and control an adaptive sorter. I built an adaptive sorter made of a 5x5 grid of Linbots with a soft sheet covering them. I demonstrate that the sorter can grade produce and move objects of varying shapes and sizes. My work can guide the future design of industrial adaptive sorting systems

Aerospace Medicine and Biology: A cumulative index to the 1982 issues

This publication is a cumulative index to the abstracts contained in the Supplements 229 through 240 of Aerospace Medicine and Biology: A continuing Bibliography. It includes three indexes: subject, personal author, and corporate source

Silent Light, Luminous Noise: Photophonics, Machines and the Senses

This research takes the basic physical premise that sound can be synthesized using light, explores how this has historically been, and still is achieved, and how it can still be a fertile area for creative, theoretical and critical exploration in sound and the arts. Through the author's own artistic practice, different techniques of generating sound using the sonification of light are explored, and these techniques are then contextualised by their historical and theoretical setting in the time-based arts. Specifically, this text draws together diverse strands of scholarship on experimental sound and film practices, cultural histories, the senses, media theory and engineering to address effects and outcomes specific to photophonic sound and its relation to the moving image, and the sculptural and media works devised to produce it. The sonifier, or device engendering the transformations discussed is specifically addressed in its many forms, and a model proposed, whereby these devices and systems are an integral, readably inscribed component - both materially and culturally - in both the works they produce, and via our reflexive understanding of the processes involved, of the images or light signals used to produce them. Other practitioners' works are critically engaged to demonstrate how a sense of touch, or the haptic, can be thought of as an emergent property of moving image works which readably and structurally make use of photophonic sound (including the author's), and sound's essential role in this is examined. In developing, through an integration of theory and practice, a new approach in this under-researched field of sound studies, the author hopes to show how photophonic sound can act as both a metaphorical and material interface between experimental sound and image, and hopefully point the way towards a more comprehensive study of both

Magnetic Refrigeration: Design, construction and evaluation of a valve switched rotary prototype. Numerical modeling of a solid state magnetocaloric heat elevator.

Este trabajo tiene como objetivo aportar una nueva luz a las posibilidades de que las tecnologías de refrigeración magnética se acerquen al mercado, desplazando de su trono a los sistemas de compresión de vapor.En la introducción a esta tesis, se presenta una breve descripción de los conceptos básicos de esta tecnología y sus "condiciones de frontera", y se incluyen algunas discusiones y reflexiones personales. Se ha diseñado y construido un prototipo rotatorio de refrigeración magnética para probar lo que, en ese momento y según nuestro conocimiento, constituye un nuevo diseño. La singularidad de este prototipo reside en el uso de electroválvulas en conjunto con un sistema de bombeo de fluido continuo. Otro comentario importante sobre este prototipo es que el diseño del imán se realizó mediante un proceso de optimización original. Se llevaron a cabo algunas pruebas con compuestos Gd y GdEr, y se presentan y discuten sus resultados, encontrando también las principales fuentes de pérdidas en el dispositivo. Se desarrolló un modelo de simulación por ordenador para evaluar los tiempos de relajación de temperatura de lechos porosos de esferas de un material magnetocalórico, en función de su diámetro. Esta simulación ayudó a conocer los valores límite y seleccionar el diámetro de las partículas de los materiales magnetocalóricos a utilizar. Finalmente, se realizó un estudio comparativo del uso de sistemas híbridos termoeléctricos-magnetocalóricos. Para ello, se introdujo una ecuación maestra original para el uso de esta tecnología con materiales de transición de primer orden y se programó un modelo informático para realizar simulaciones en diferentes condiciones de trabajo. Con esto, se determinó cómo debían seleccionarse los parámetros de trabajo del sistema para obtener mejoras de rendimiento con respecto a las condiciones de enfriamiento termoeléctrico puro.La tesis se estructura en una introducción general y dos partes separadas, a saber, la construcción de un prototipo rotatorio de refrigeración magnética y el estudio comparativo de sistemas híbridos termoeléctrico-magnetocalóricos. La introducción constituye un solo capítulo y las dos partes separadas comprenden ocho y dos capítulos, respectivamente.La introducción comienza con un análisis de la relevancia de las tecnologías de refrigeración y la importancia de reducir su impacto en el consumo energético mundial, así como su relación con diferentes aspectos estratégicos y ecológicos. A continuación, se aborda la necesidad de encontrar nuevas tecnologías de refrigeración que eviten o minimicen los perjuicios de los sistemas de compresión de vapor. Las tecnologías de enfriamiento magnetocalórico se introducen haciendo un breve resumen histórico y una pequeña revisión sobre los materiales magnetocalóricos relevantes, así como de la termodinámica del efecto magnetocalórico. La introducción finaliza con un análisis de la potencia de refrigeración y las condiciones de salto térmico que deben cubrir los refrigeradores magnetocalóricos, para cumplir con la regulación europea de etiquetadoenergético. Además, se presenta una discusión personal sobre cómo interpretar los gráficos de salto térmico frente a potencia de enfriamiento desde un punto de vista práctico.La Parte I presenta el diseño y construcción de un refrigerador magnético rotatorio. Una descripción completa del proceso de diseño está estructurada en diferentes secciones y subsecciones que comprenden diferentes partes del proceso de diseño. A partir de las especificaciones básicas del capítulo 2, la selección de los materiales magnetocalóricos y su forma se describe en el capítulo 3. Este capítulo incluye un modelo 1D de relajación térmica para un lecho de bolas, que se utilizó para ver las limitaciones del intercambio de calorcon diferentes diámetros de esferas y el fluido que fluye a través del lecho. El capítulo 4 explica el proceso de diseño de la carcasa del bloque de regeneradores, describiendo las principales problemáticas a resolver y las decisiones tomadas al respecto. Este capítulo incluye también una descripción del proceso de fabricación e instalación de termopares, así como una descripción de las herramientas que tuvieron que diseñarse y construirse para obtener mallas conformadas, para separar y retener las partículas esféricas en los regeneradores. En el capítulo 5, se explica detalladamente la optimización del diseño de un imán mediante un proceso original. Se incluye también una comparación del diseño optimizado con las medidas del imán fabricado. En el capítulo 6, se describe el diseño del sistema de distribución de fluidos y se presentan las consideraciones sobre la tubería, la inserción del termopar, el diseño del punto frío y la caracterización del sistema de bombeo. El capítulo 7 describe el sistema de adquisición de datos. Finalmente, el capítulo 8 presenta el proceso de prueba y los resultados obtenidos, para analizar con una discusión sobre las pérdidasy fuentes de ineficiencia observadas. Esta discusión incluye una prueba de relajación térmica realizada, que señala la ubicación de las principales áreas de pérdidas en el dispositivo.La Parte II, aunque más corta, contiene el desarrollo de importantes simulaciones que iluminan la posibilidad de que los sándwiches termoeléctrico-magnetocalórico-termoeléctrico sigan siendo considerados como ladrillos de construcción para equipos de enfriamiento magnético alternativo, aprovechando las mejores características de termoeléctricos y magnetocalóricos. El capítulo 9 es una introducción donde se explica el concepto básico y el capítulo 10 relata la simulación del sistema híbrido. En este último capítulo se describe el modelo del sándwich, incluyendo los parámetros fijos de algunas celdas Peltier comerciales que se utilizan en él, y las particularidades a tener en cuenta a la hora de trabajar con materiales de transición de fase de primer y segundo orden. De especial relevancia es la introducción de una ecuación maestra que permite modelar adecuadamente la transferencia de calor en materiales con transición de primer orden. Se comparan el enfriamiento termoeléctrico puro, el enfriamiento magnetocalórico puro con diodos térmicos pasivos y el enfriamiento magnetocalórico-termoeléctrico híbrido. Finalmente, se comparan también estos resultados con los de otros autores y se da una explicación sobre sus malos resultados.Además de esto, En el Anexo C se proporcionan un conjunto de dibujos con el diseño de diferentes partes del prototipo y utillajes adicionales, desarrollados para la construcción del prototipo.<br /