Blød Robot Sveder for at Regulere Temperatur

Forskere ved Cornell University har udviklet en blød robotmuskel, der kan regulere sin temperatur gennem sved. Den nye udvikling er en af mange, der forvandler det bløde robotområde.

Termisk styring er en grundlæggende del af at skabe ubundne, højtydende robotter, der kan operere i lange perioder uden at overvarme.

Projektet blev ledet af Rob Shepherd, en adjungeret professor i mekanisk og rumfartsingeniørvidenskab ved Cornell.

Holdets artikel med titlen “Automatisk sved i 3D-printede hydrogel-aktuatorer” blev offentliggjort i Science Robotics.

En af de mest vanskelige aspekter ved at udvikle varige, tilpasningsdygtige og agile robotter er at styre robotternes interne temperatur. Ifølge Shepherd vil robotten fejle eller stoppe helt, hvis de højtorkede motorer og eksotermiske motorer, der driver en robot, overvarmer.

Dette problem er særligt til stede i bløde robotter, da de er lavet af syntetisk materiale. Bløde robotter er mere fleksible, men denne øgede fleksibilitet får dem til at holde varmen. Dette er ikke tilfældet for metaller, der afgiver varme meget hurtigere. Problemet med en intern afkølings-teknologi, såsom en ventilator, er, at den ville tage for meget plads inde i robotten og øge vægten.

Med disse udfordringer i mente, så Shepherd og hans hold på pattedyr og deres naturlige evne til at svede som inspiration for et afkølingssystem.

“Evnen til at svede er en af de mest bemærkelsesværdige funktioner hos mennesker,” sagde medforfatter T.J. Wallin, en forskningsvidenskabsmand ved Facebook (META ) Reality Labs. “Svedning udnytter fordampet vandtab til at afgive varme hurtigt og kan afkøle under den omgivende miljøtemperatur. … Så som oftest giver biologien en god vejledning for os som ingeniører.”

Shepherd og hans hold samarbejdede med laboratoriet for Cornell-ingeniørprofessoren Emmanual Giannelis. Sammen udviklede de nanopolymermateriale, der var nødvendige for svedning. De udviklede disse ved hjælp af en 3D-print-teknik kaldet multi-materiale stereolitografi, der afhænger af lys til at hærde harpiks til foruddefinerede former.

Forskerne fabrikerede derefter fingerlignende aktuatorer, der bestod af to hydrogelmaterialer, der kunne holde vand og reagere på temperatur. En anden måde at se på det er, at disse var “intelligente” svampe. Den underste lag består af poly-N-isopropylacrylamid, der reagerer på temperaturer over 30°C (86°F) ved at krympe. Denne reaktion presser vand op i en øverste lag af polyacrylamid, der er perforeret med mikron-størrelse porer. Porerne reagerer på samme temperaturinterval og frigør “sved” ved automatisk at udvide, før de lukker, når temperaturen falder under 30°C.

Når vandet fordampes, reduceres aktuatorens overfladetemperatur med 21°C inden for 30 sekunder. Denne afkølingsproces er tre gange mere effektiv end den hos mennesker, ifølge forskerne. Når de udsættes for vind fra en ventilator, kan aktuatorerne afkøle omkring seks gange hurtigere.

En af problemerne med teknologien er, at den kan påvirke en robots mobilitet. Robotterne kræver også at genopfylde deres vandforsyning. På grund af dette forestiller Shepherd sig bløde robotter, der til sidst både sveder og drikker som pattedyr.

Den nye udvikling af denne teknologi følger en meget tydelig mønster inden for robotindustrien. Teknologien udvikles mere og mere baseret på vores naturlige omgivelser. Uanset om det er afkølingsprocessen ved svedning hos pattedyr, neurale netværk baseret på måne-jellyfish eller kunstig hud, robotteknologi er et felt, der på mange måder bygger på, hvad vi allerede har i naturen.