Zachte Robot Zweet om Temperatuur te Reguleren

Onderzoekers aan de Cornell University hebben een zachte robotspier ontwikkeld die in staat is om zijn temperatuur te reguleren door te zweten. Deze nieuwe ontwikkeling is een van de vele die het veld van zachte robotica transformeren.

De thermische beheertechniek is een fundamenteel onderdeel van het creëren van onafhankelijke, hoogvermogende robots die lange tijd kunnen werken zonder oververhitting.

Het project werd geleid door Rob Shepherd, een associate professor in mechanische en ruimtevaarttechniek aan Cornell.

Het paper van het team met de titel “Automatische transpiratie in 3D-geprinte hydrogel-actuatoren” werd gepubliceerd in Science Robotics.

Een van de moeilijkste aspecten van het ontwikkelen van duurzame, aanpasbare en wendbare robots is het beheersen van de interne temperatuur van de robot. Volgens Shepherd zal de robot falen of volledig stoppen als de hoge-torque-dichtheidsmotoren en exothermische motoren die de robot aandrijven oververhitten.

Dit probleem is vooral aanwezig in zachte robots, omdat ze zijn gemaakt van synthetisch materiaal. Zachte robots zijn flexibeler, maar deze verhoogde flexibiliteit zorgt ervoor dat ze warmte vasthouden. Dit is niet het geval voor metalen, die warmte veel sneller afvoeren. Het probleem met een interne koeltechnologie, zoals een ventilator, is dat het te veel ruimte in beslag zou nemen in de robot en het gewicht zou verhogen.

Met deze uitdagingen in gedachten, keek Shepherd’s team naar zoogdieren en hun natuurlijke vermogen om te zweten als inspiratie voor een koelsysteem.

“Het vermogen om te transpireren is een van de meest opmerkelijke kenmerken van de mens”, zei co-hoofdauteur T.J. Wallin, een onderzoeker bij Facebook (META ) Reality Labs. “Zweten maakt gebruik van verdampte waterverlies om warmte snel af te voeren en kan afkoelen tot onder de omgevings temperatuur. … Dus, zoals vaak het geval is, bood biologie een uitstekende gids voor ons als ingenieurs.”

Shepherd’s team werkte samen met het lab van de Cornell-engineer Emmanual Giannelis. Samen creëerden ze nanopolymeermaterialen die nodig waren voor zweten. Ze ontwikkelden deze met behulp van een 3D-printtechniek genaamd multi-materiaal-stereolithografie, die afhankelijk is van licht om hars te laten stollen in vooraf ontworpen vormen.

De onderzoekers fabriceerden vervolgens vinger-achtige actuatoren die bestonden uit twee hydrogelmaterialen die water konden vasthouden en reageerden op temperatuur. Een andere manier om ernaar te kijken is dat deze “slimme” sponzen waren. De basislaag bestaat uit poly-N-isopropylacrylamide, dat reageert op temperaturen boven 30°C (86°F) door te krimpen. Deze reactie perst water omhoog in een bovenlaag van polyacrylamide die is voorzien van micron-grote poriën. De poriën reageren op hetzelfde temperatuurbereik en geven het “zweet” af door automatisch te verwijden voordat ze sluiten wanneer de temperatuur daalt onder 30°C.

Wanneer het water verdampt, wordt de oppervlaktetemperatuur van de actuator met 21°C verlaagd binnen 30 seconden. Dit koelproces is drie keer efficiënter dan dat bij de mens, volgens de onderzoekers. Wanneer de actuatoren worden blootgesteld aan wind van een ventilator, kunnen ze ongeveer zes keer sneller afkoelen.

Een van de problemen met deze technologie is dat het de mobiliteit van de robot kan beïnvloeden. De robots moeten ook hun wateraanvoer aanvullen. Daarom voorziet Shepherd zachte robots die uiteindelijk zullen zweten en drinken zoals zoogdieren.

De nieuwe ontwikkeling van deze technologie volgt een zeer duidelijk patroon binnen de robotica-industrie. Technologie wordt steeds vaker ontwikkeld op basis van onze natuurlijke omgeving. Of het nu gaat om het koelproces van zweten dat aanwezig is bij zoogdieren, neuronale netwerken op basis van maan-jellyfish, of kunstmatige huid, robotica is een veld dat op veel manieren voortbouwt op wat we al hebben in de natuur.