Weicher Roboter schwitzt, um Temperatur zu regulieren

Forscher an der Cornell University haben einen weichen Roboter-Muskel entwickelt, der in der Lage ist, seine Temperatur durch Schwitzen zu regulieren. Diese neue Entwicklung ist eine von vielen, die das Feld der weichen Robotik verändern.

Die thermische Management-Technik ist ein grundlegender Teil der Erstellung von unabhängigen, hochleistungsfähigen Robotern, die über lange Zeiträume ohne Überhitzung betrieben werden können.

Das Projekt wurde von Rob Shepherd, einem Associate Professor für Mechanik und Luft- und Raumfahrttechnik an der Cornell University, geleitet.

Der Artikel der Forschungsgruppe mit dem Titel “Automatisches Schwitzen in 3D-gedruckten Hydrogel-Aktuatoren” wurde in der Zeitschrift Science Robotics veröffentlicht.

Einer der schwierigsten Aspekte bei der Entwicklung von langlebigen, anpassungsfähigen und agilen Robotern ist die Regulierung der internen Temperatur des Roboters. Laut Shepherd wird der Roboter fehlfunktionieren oder vollständig stoppen, wenn die hochtorque-dichten Motoren und exothermen Motoren, die den Roboter antreiben, überhitzen.

Dieses Problem ist besonders bei weichen Robotern vorhanden, da sie aus synthetischem Material hergestellt sind. Weiche Roboter sind flexibler, aber diese erhöhte Flexibilität verursacht, dass sie Wärme speichern. Dies ist nicht der Fall bei Metallen, die Wärme viel schneller ableiten. Das Problem bei einer internen Kühltechnologie, wie einem Ventilator, ist, dass sie zu viel Platz im Roboter einnehmen und das Gewicht erhöhen würde.

Mit diesen Herausforderungen im Hinterkopf suchte Shepherds Team nach Inspiration für ein Kühlungssystem bei den Säugetieren und ihrer natürlichen Fähigkeit, zu schwitzen.

“Die Fähigkeit, zu schwitzen, ist eine der bemerkenswertesten Eigenschaften des Menschen”, sagte der Co-Autor T.J. Wallin, ein Forschungswissenschaftler bei Facebook (META ) Reality Labs. “Schwitzen nutzt den Verlust von Wasserdampf, um Wärme schnell abzuleiten und kann unter die Umgebungstemperatur kühlen. … Wie oft ist der Fall, bot die Biologie einen hervorragenden Leitfaden für uns als Ingenieure.”

Shepherds Team arbeitete mit dem Labor von Cornell-Professor Emmanual Giannelis zusammen. Zusammen entwickelten sie die Nanopolymer-Materialien, die für das Schwitzen benötigt wurden. Sie entwickelten diese mithilfe einer 3D-Druck-Technik namens Multi-Material-Stereolithographie, die auf Licht basiert, um Harz in vorgefertigte Formen zu härten.

Die Forscher stellten dann fingerartige Aktuatoren her, die aus zwei Hydrogel-Materialien bestanden, die Wasser speichern und auf Temperatur reagieren konnten. Ein anderer Weg, dies zu betrachten, ist, dass es sich um “intelligente” Schwämme handelte. Die Basis besteht aus Poly-N-Isopropylacrylamid, das auf Temperaturen über 30°C (86°F) reagiert, indem es sich zusammenzieht. Diese Reaktion quetscht Wasser in eine obere Schicht aus Polyacrylamid, die mit mikroskopisch kleinen Poren durchsetzt ist. Die Poren reagieren auf den gleichen Temperaturbereich und geben das “Schwitzen” durch automatisches Erweitern frei, bevor sie sich schließen, wenn die Temperatur unter 30°C fällt.

Wenn das Wasser verdunstet, wird die Oberflächentemperatur des Aktuators um 21°C innerhalb von 30 Sekunden reduziert. Dieser Kühlprozess ist drei Mal effizienter als der bei Menschen, laut den Forschern. Wenn der Aktuator Wind von einem Ventilator ausgesetzt wird, kann er sich etwa sechs Mal schneller abkühlen.

Eines der Probleme mit dieser Technologie ist, dass sie die Mobilität des Roboters beeinträchtigen kann. Die Roboter müssen auch ihre Wasserversorgung auffüllen. Deshalb stellt sich Shepherd vor, dass weiche Roboter, die sowohl schwitzen als auch trinken wie Säugetiere, entwickelt werden.

Die neue Entwicklung dieser Technologie folgt einem sehr offensichtlichen Muster innerhalb der Robotik-Industrie. Technologie wird zunehmend auf der Grundlage unserer natürlichen Umgebung entwickelt. Ob es sich um den Kühlprozess des Schwitzens bei Säugetieren, Neuronale Netze auf der Grundlage von Mondjellyfish oder künstliche Haut handelt, die Robotik ist ein Feld, das auf vielen Wegen auf dem aufbaut, was wir bereits in der Natur haben.