Мягкий робот потеет, чтобы регулировать температуру

Исследователи в Корнелльском университете разработали мягкий роботизированный мышечный орган, способный регулировать температуру посредством потения. Это новое развитие является одним из многих, которые преобразуют область мягкой робототехники.

Техника термического управления является фундаментальной частью создания независимых, высокомощных роботов, способных работать в течение длительного времени без перегрева.

Проектом руководил Роб Шепард, ассоциированный профессор механики и аэрокосмической инженерии в Корнелле.

Статья команды под названием “Автоматическое потение в 3D-печатных гидрогельных актуаторах” была опубликована в Science Robotics.

Одним из самых сложных аспектов разработки долговечных, адаптивных и ловких роботов является управление внутренней температурой робота. Согласно Шепарду, робот будет работать неправильно или полностью остановится, если высокомоментные двигатели и экзотермические двигатели, ответственные за питание робота, перегреются.

Эта проблема особенно актуальна для мягких роботов, поскольку они изготовлены из синтетического материала. Мягкие роботы более гибкие, но эта повышенная гибкость заставляет их удерживать тепло. Это не так для металлов, которые быстро рассеивают тепло. Проблема с внутренней технологией охлаждения, такой как вентилятор, заключается в том, что она займет слишком много места внутри робота и увеличит вес.

Учитывая эти проблемы, команда Шепарда обратилась к млекопитающим и их естественной способности потеть в поисках вдохновения для системы охлаждения.

“Способность потеть является одной из самых замечательных особенностей человека”, – сказал соавтор Т.Дж. Уоллин, исследовательский ученый в Facebook (META ) Reality Labs. “Потение использует испарительную потерю воды для быстрого рассеивания тепла и может охладиться ниже окружающей температуры. … Итак, как часто бывает, биология предоставила нам отличное руководство как инженерам”.

Команда Шепарда сотрудничала с лабораторией профессора инженерии Корнелла Эммануэля Джаннелиса. Вместе они создали нанополимерные материалы, необходимые для потения. Они разработали их с помощью технологии 3D-печати под названием многоматериальная стереолитография, которая полагается на свет для отверждения смолы в предварительно спроектированных формах.

Исследователи затем изготовили пальцевидные актуаторы, состоящие из двух гидрогельных материалов, способных удерживать воду и реагировать на температуру. Другой способ взглянуть на это – это “умные” губки. Основной слой состоит из поли-N-изопропилакриламида, который реагирует на температуры выше 30°C (86°F), сжимаясь. Эта реакция сжимает воду в верхний слой полиакриламида, который имеет микронные поры. Поры реагируют на тот же температурный диапазон и выпускают “пот” путем автоматического расширения перед закрытием, когда температура падает ниже 30°C.

Когда вода испаряется, температура поверхности актуатора снижается на 21°C в течение 30 секунд. Этот процесс охлаждения в три раза более эффективен, чем у человека, согласно исследователям. Когда актуаторы подвергаются воздействию ветра от вентилятора, они могут охладиться примерно в шесть раз быстрее.

Одной из проблем с этой технологией является то, что она может повлиять на подвижность робота. Роботы также требуют пополнения запаса воды. Из-за этого Шепард представляет себе мягких роботов, которые в конечном итоге будут и потеть, и пить, как млекопитающие.

Новое развитие этой технологии следует очень явной тенденции в робототехнической промышленности. Технология все чаще разрабатывается на основе нашей природной среды. Будь то процесс охлаждения посредством потения, присутствующий у млекопитающих, нейронные сети на основе медуз или искусственная кожа, робототехника – это область, которая во многих отношениях строится на том, что у нас уже есть в природе.