Myk robot svetter for å regulere temperatur

Forskere ved Cornell University har utviklet en myk robotmuskel som kan regulere sin temperatur gjennom svetting. Den nye utviklingen er en av mange som transformerer feltet myk robotikk.

Den termiske håndteringsmetoden er en grunnleggende del av å skape ubundne, høyeffekt-roboter som kan operere i lange perioder uten å overopphete.

Prosjektet ble ledet av Rob Shepherd, en assosiert professor i mekanisk og romfartsingeniør ved Cornell.

Lagets artikkel med tittelen “Automatic Perspiration in 3D Printed Hydrogel Actuators” ble publisert i Science Robotics.

En av de mest vanskelige aspektene ved å utvikle varige, tilpasningsdyktige og agile roboter er å håndtere robotens interne temperatur. Ifølge Shepherd vil roboten feile eller stoppe helt hvis de høye torkedensitetsmotorer og eksotermiske motorer som driver en robot overoppheter.

Dette problemet er særlig til stede i myke roboter siden de er laget av syntetisk materiale. Myke roboter er mer fleksible, men denne økte fleksibiliteten gjør dem til å holde på varmen. Dette er ikke tilfelle for metaller, som avgir varme mye raskere. Problemet med en intern avkjølings-teknologi, som en vifte, er at den ville ta for mye plass inne i roboten og øke vekten.

Med disse utfordringene i mente, så Shepherd og hans team mot pattedyr og deres naturlige evne til å svette som inspirasjon for et avkjølingssystem.

“Evnen til å svette er en av de mest bemerkelsesverdige egenskapene til mennesker,” sa med-lead-forfatter T.J. Wallin, en forskningsscientist ved Facebook (META ) Reality Labs. “Svetting utnytter fordampet vann-tap til å raskt avgive varme og kan avkjøle under den omgivende miljø-temperaturen. … Så som oftest er tilfelle, ga biologien en utmerket veiledning for oss som ingeniører.”

Shepherd og hans team samarbeidet med laboratoriet til Cornell-ingeniørprofessoren Emmanual Giannelis. Sammen utviklet de nanopolymermaterialet som trengtes for svetting. De utviklet disse ved hjelp av en 3D-utskriftsteknikk kalt multi-materiell stereolitografi, som avhenger av lys til å herde harpiks inn i forhåndsdefinerte former.

Forskerne fabrikkerte så fingerlignende aktuatorer som bestod av to hydrogel-materiale som kunne holde på vann og reagere på temperatur. En annen måte å se på det er at disse var “smart” svamper. Den underliggende laget består av poly-N-isopropylacrylamid, som reagerer på temperaturer over 30°C (86°F) ved å trekke seg sammen. Denne reaksjonen presser vann opp i en øvre lag av polyakrylamid som er perforert med mikron-størrelse porer. Porene reagerer på samme temperatur-intervall, og de slipper ut “svette” ved å automatisk utvide før de lukker når temperaturen synker under 30°C.

Når vannet fordampes, reduseres aktuatorens overflatetemperatur med 21°C innen 30 sekunder. Denne avkjølingsprosessen er tre ganger mer effektiv enn den som finnes hos mennesker, ifølge forskerne. Når de er utsatt for vind fra en vifte, kan aktuatorene avkjøle seg om lag seks ganger raskere.

En av problemene med teknologien er at den kan påvirke en robots mobilitet. Robotene må også fylle på vannforsyningen sin. På grunn av dette, forestiller Shepherd seg myke roboter som til slutt både svetter og drikker som pattedyr.

Den nye utviklingen av denne teknologien følger en meget åpenbar mønster innen robotikk-industrien. Teknologien utvikles stadig mer basert på vår naturlige omgivelse. Uansett om det er avkjølingsprosessen med svetting som finnes hos pattedyr, neuronale nettverk basert på måne-jellyfish, eller kunstig hud, er robotikk et felt som på mange måter bygger på det vi allerede har i naturen.