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. 

Likende maskiner

Rob Shepherd er associate professor of mechanical and aerospace engineering i College of Engineering. Han ledet teamet av forskere ved Cornell sammen med lead author Yoav Matia.

“Disse distribuerte myke pumpene opererer mye mer som menneskelige hjarter og arterier som blodet leveres fra,” sa Shepherd. “Vi har hatt robotblod som vi har publisert fra vår gruppe, og nå har vi robot-hjarter. Kombinasjonen av de to vil gjøre mer likende maskiner.”

The Organic Robotics Lab ledet av Shepherd har tidligere brukt myke materialekompositter til å designe en rekke teknologier, som en strekkbar sensor “hud” og forbrenningsdrevne braille-skjermer og klær som overvåker idrettsprestasjoner. De har også utviklet myke roboter som kan gå, krype, svømme og sverte. Ifølge teamet kan mange av disse skapningene bli brukt i feltene pasientpleie og rehabilitering. 

Opprettelse av sirkulasjonssystem

Myke roboter trenger et sirkulasjonssystem for å lagre energi og drive deres ledd og bevegelser, som gjør det mulig for dem å fullføre komplekse oppgaver. 

Den nylig utviklede elastomerpumpen består av en myk silikontube utstyrt med wire-spoler kalt solenoider. Disse solenoidene er plassert rundt elastomerpumpens ytre overflate, og mellomrom mellom spolenene tillater at røret kan bøyes og strekkes. Inn i røret er det en fast magnetkjerne omgitt av magnetorheologisk væske, som stivner når den utsettes for et magnetfelt. Dette holder kjernen sentrert og skaper et tett ved samme tid. Ved å bruke magnetfeltet 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-forfatter av forskningen sammen 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 harde pumper er vi fortsatt omtrent 10 ganger lavere i ytelse. Så det betyr at vi ikke kan skyve svært viskøse oljer ved svært høye strømningshastigheter.”

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

“Vi trodde 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 ønskede ytelsen,” sa Shepherd.