Ingeniører gir myke roboter et hjerte

Et samarbeidende team av forskere fra Cornell og U.S. Army Research Laboratory har brukt hydrodynamiske og magnetiske krefter til å drive en gummiaktig og deformérbar pumpe som gir myke roboter et sirkulasjonssystem. Dette systemet etterligner biologien til dyr i naturen.

Artikkelen med tittelen “Magnetohydrodynamic Levitation for High-Performance Flexible Pumps” ble publisert i Proceedings of the National Academy of Sciences.

Livaktige maskiner

Rob Shepherd er førsteamanuensis i maskinteknikk og luft- og romfartsteknikk i College of Engineering. Han ledet teamet av forskere ved Cornell sammen med førsteforfatter Yoav Matia.

“Disse distribuerte myke pumpene opererer mye mer som menneskelige hjerter og arterier som blodet føres gjennom,” sa Shepherd. “Gruppen vår har tidligere publisert forskning om robotblod, og nå har vi robot-hjerter. Kombinasjonen av de to vil gjøre mer livaktige maskiner.”

Organic Robotics Lab ledet av Shepherd har tidligere brukt myke materialkompositter til å designe en rekke teknologier, som en strekkbar sensorhud og forbrenningsdrevne blindskrift-displayer og klær som overvåker idrettsprestasjoner. De har også utviklet myke roboter som kan gå, krype, svømme og svette. Ifølge teamet kan mange av disse konstruksjonene bli brukt i feltene pasientpleie og rehabilitering.

Opprettelse av Sirkulasjonssystem

Myke roboter trenger et sirkulasjonssystem for å lagre energi og drive lemmene og bevegelsene sine, som gjør det mulig for dem å fullføre komplekse oppgaver.

Den nylig utviklede elastomer-pumpen består av et mykt silikonrør med trådspoler kalt solenoider. Disse solenoidene er plassert rundt elastomer-pumpens ytre overflate, og mellomrommene mellom spolene tillater at røret kan bøyes og strekkes. Inne i røret er det en fast magnetisk kjerne omgitt av magnetorheologisk væske, som stivner når den utsettes for et magnetisk felt. Dette holder kjernen sentrert og danner en tetning på samme tid. Ved å bruke det magnetiske feltet på ulike måter, kan magnetkjernen flyttes frem og tilbake for å skyve væsker som vann og lav-viskøse oljer fremover med kontinuerlig kraft.

Shepherd var med-seniorforfatter av forskningen med Nathan Lazarus fra U.S. Army Research Laboratory.

“Vi opererer ved trykk og strømningshastigheter som er 100 ganger hva som er gjort i andre myke pumper,” sa Shepherd. “I sammenligning med stive pumper, er vi fortsatt omtrent 10 ganger lavere i ytelse. Så det betyr at vi ikke kan skyve svært viskøse oljer ved høye strømningshastigheter.”

Forskerne utførte et eksperiment for å demonstrere at pumpe-systemet kan opprettholde en kontinuerlig ytelse under store deformasjoner. De sporet også ytelsesparametere for å sikre at fremtidige iterasjoner kan tilpasses til roboten.

“Vi mente det var viktig å ha skaleringsforhold for alle pumpens parametre, så at når vi designer noe nytt, med forskjellige rørdiametre og lengder, ville vi vite hvordan vi skulle justere pumpen for å oppnå den ytelsen vi ønsker,” sa Shepherd.