Miękki robot potuje, aby regulować temperaturę

Naukowcy z Uniwersytetu Cornella opracowali miękkie mechaniczne mięśnie, które są w stanie regulować swoją temperaturę poprzez potowanie. Nowy rozwój jest jednym z wielu, które przekształcają pole miękkiej robotyki.

Technika zarządzania ciepłem jest podstawową częścią tworzenia niezwiązanych, wysoko wydajnych robotów, które mogą działać przez długi czas bez przegrzania.

Projekt został poprowadzony przez Roba Shepherda, associate profesora inżynierii mechanicznej i lotniczej na Uniwersytecie Cornella.

Artykuł zespołu zatytułowany “Automatyczne pocenie się w 3D wydrukowanych akuatorach hydrożelowych” został opublikowany w Science Robotics.

Jednym z najtrudniejszych aspektów tworzenia trwałych, adaptacyjnych i zwinnych robotów jest zarządzanie temperaturą wewnętrzną robota. Według Shepherda, robot może ulec awarii lub całkowicie przestać działać, jeśli silniki o wysokiej gęstości mocy i egzotermiczne silniki odpowiedzialne za zasilanie robota przegrzeją się.

Problem ten jest szczególnie obecny w miękkich robotach, ponieważ są one wykonane z materiałów syntetycznych. Miękkie roboty są bardziej elastyczne, ale ta zwiększona elastyczność powoduje, że zatrzymują ciepło. Nie jest to przypadkiem metali, które rozpraszają ciepło znacznie szybciej. Problemem wewnętrznej technologii chłodzenia, takiej jak wentylator, jest to, że zajęłoby zbyt dużo miejsca wewnątrz robota i zwiększyłoby jego wagę.

Mając na uwadze te wyzwania, zespół Shepherda szukał inspiracji w ssakach i ich naturalnej zdolności do potowania jako systemu chłodzenia.

“Możliwość pocenia się jest jedną z najbardziej godnych uwagi cech ludzi”, powiedział współautor T.J. Wallin, naukowiec w Facebook (META ) Reality Labs. “Pocenie się wykorzystuje parowanie wody do szybkiego rozpraszania ciepła i może ochłodzić poniżej temperatury otoczenia. … Jak to często bywa, biologia dostarczyła nam doskonałej wskazówki jako inżynierom.”

Zespół Shepherda współpracował z laboratorium profesora inżynierii Cornella, Emmanuela Giannelisa. Razem stworzyli materiały nanopolimerowe niezbędne do potowania. Zrobili to za pomocą techniki drukowania 3D zwanej stereolitografią wielomateriałową, która opiera się na świetle do utwardzania żywicy w zaprojektowanych kształtach.

Następnie wytworzyli palczaste aktuatory składające się z dwóch materiałów hydrożelowych, które mogą zatrzymywać wodę i reagować na temperaturę. Można to również uznać za “inteligentne” gąbki. Warstwa podstawowa składa się z poli-N-izopropylakrylamidu, który reaguje na temperatury powyżej 30°C (86°F) przez kurczenie się. Ta reakcja wypycha wodę do górnej warstwy poliakrylamidu, która jest perforowana mikroskopijnymi porami. Pory reagują na ten sam zakres temperatury i uwalniają “pot” przez automatyczne rozszerzanie się, zanim zamykają się, gdy temperatura spada poniżej 30°C.

Gdy woda paruje, temperatura powierzchni akuatora jest zmniejszona o 21°C w ciągu 30 sekund. Proces chłodzenia jest trzykrotnie bardziej wydajny niż ten u ludzi, według naukowców. Gdy narażone na wiatr z wentylatora, aktuatory mogą ochłodzić się około sześć razy szybciej.

Jednym z problemów z tą technologią jest to, że może ona wpłynąć na ruchomość robota. Roboty również wymagają uzupełnienia swoich zapasów wody. Z tego powodu Shepherd wyobraża sobie miękkie roboty, które w końcu będą zarówno pocić się, jak i pić jak ssaki.

Nowy rozwój tej technologii podąża za bardzo widocznym wzorcem w przemyśle robotyki. Technologia jest coraz częściej opracowywana na podstawie naszego naturalnego środowiska. Niezależnie od tego, czy jest to proces chłodzenia poprzez potowanie obecny u ssaków, sieci neuronowe oparte na meduzach, czy sztuczna skóra, robotyka jest dziedziną, która w wielu ways buduje na tym, co już mamy w naturze.