Ingenieure geben weichen Robotern ein Herz

Ein Team von Forschern der Cornell-Universität und des US-Army-Forschungslabors hat mithilfe von hydrodynamischen und magnetischen Kräften eine gummiartige und deformierbare Pumpe entwickelt, die weichen Robotern ein Kreislaufsystem verleiht. Dieses System ahmt die Biologie von Tieren in der Natur nach.

Der Artikel mit dem Titel “Magnetohydrodynamische Levitation für Hochleistungs-Flexible Pumpen” wurde in den Proceedings of the National Academy of Sciences veröffentlicht.

Likelike-Maschinen

Rob Shepherd ist Associate Professor für Mechanik und Luft- und Raumfahrttechnik an der Ingenieurwissenschaftlichen Fakultät. Er leitete das Forscherteam an der Cornell-Universität zusammen mit dem ersten Autor Yoav Matia.

“Diese verteilten weichen Pumpen funktionieren viel mehr wie menschliche Herzen und die Arterien, durch die das Blut geliefert wird”, sagte Shepherd. “Wir haben bereits Roboterblut veröffentlicht, das von unserer Gruppe stammt, und jetzt haben wir Roboterherzen. Die Kombination aus beidem wird lebendigere Maschinen hervorbringen.”

Das Organic Robotics Lab, das von Shepherd geleitet wird, hat zuvor weiche Materialkomposite verwendet, um eine Vielzahl von Technologien zu entwickeln, wie zum Beispiel eine dehnbare Sensor-“Haut” und kombinationsgetriebene Braille-Displays und Kleidung, die die sportliche Leistung überwacht. Sie haben auch weiche Roboter entwickelt, die gehen, kriechen, schwimmen und schwitzen können. Laut dem Team könnten viele dieser Kreationen in den Bereichen Patientenversorgung und Rehabilitation eingesetzt werden.

Das Kreislaufsystem erstellen

Weiche Roboter benötigen ein Kreislaufsystem, um Energie zu speichern und ihre Anhängsel und Bewegungen zu betreiben, was es ihnen ermöglicht, komplexe Aufgaben zu erfüllen.

Die neu entwickelte elastomere Pumpe besteht aus einem weichen Silikontube, der mit Drahtspulen, sogenannten Solenoiden, ausgestattet ist. Diese Solenoide sind um den äußeren Teil der elastomeren Pumpe angeordnet, und die Lücken zwischen den Spulen ermöglichen es dem Tube, sich zu biegen und zu dehnen. Im Inneren des Tubes befindet sich ein fester Kernmagnet, der von einer magnetorheologischen Flüssigkeit umgeben ist, die sich versteift, wenn sie einem magnetischen Feld ausgesetzt wird. Dies hält den Kernmittelpunkt und schafft gleichzeitig einen Dichtung. Durch die Anwendung des magnetischen Feldes auf verschiedene Weise kann der Kernmagnet hin und her bewegt werden, um Flüssigkeiten wie Wasser und niederviskose Öle mit kontinuierlicher Kraft vorwärts zu drücken.

Shepherd war Co-Hauptautor der Forschung zusammen mit Nathan Lazarus vom US-Army-Forschungslabor.

“Wir arbeiten bei Drücken und Flussraten, die 100-mal höher sind als bei anderen weichen Pumpen”, sagte Shepherd. “Im Vergleich zu harten Pumpen sind wir immer noch etwa 10-mal niedriger in der Leistung. Das bedeutet, dass wir keine sehr viskosen Öle bei sehr hohen Flussraten drücken können.”

Die Forscher führten ein Experiment durch, um zu demonstrieren, dass das Pumpensystem eine kontinuierliche Leistung unter großen Deformationen aufrechterhalten kann. Sie verfolgten auch die Leistungsparameter, um sicherzustellen, dass zukünftige Iterationen je nach Roboter angepasst werden können.

“Wir dachten, es sei wichtig, Skalierungsbeziehungen für alle verschiedenen Parameter der Pumpe zu haben, damit wir, wenn wir etwas Neues entwerfen, mit unterschiedlichen Rohrdurchmessern und Längen, wissen, wie wir die Pumpe für die gewünschte Leistung einstellen sollten”, sagte Shepherd.