Ingenjörer ger mjuka robotar ett hjärta

Ett samarbetslag av forskare från Cornell och U.S. Army Research Laboratory har använt hydrodynamiska och magnetiska krafter för att driva en gummiliknande och formbar pump som ger mjuka robotar ett cirkulationssystem. Detta system imiterar biologin hos djur i naturen.

Artikeln med titeln “Magnetohydrodynamic Levitation for High-Performance Flexible Pumps” publicerades i Proceedings of the National Academy of Sciences.

Likelike Machines

Rob Shepherd är associate professor i mekanisk och rymdteknik vid College of Engineering. Han ledde forskarlaget vid Cornell tillsammans med första författaren Yoav Matia.

“Dessa distribuerade mjuka pumpar fungerar mycket mer som mänskliga hjärtan och artärerna som blodet levereras från”, sa Shepherd. “Vi har tidigare publicerat robotblod från vår grupp, och nu har vi robot-hjärtan. Kombinationen av de två kommer att göra mer levande maskiner.”

Organic Robotics Lab, som leds av Shepherd, har tidigare använt mjuka materialkompositer för att designa en mängd olika teknologier, såsom en sträckbar sensor “hud” och bränsledrivna blindskriftsskärmar och kläder som övervakar idrottsprestation. De har också utvecklat mjuka robotar som kan gå, krypa, simma och svettas. Enligt laget kan många av dessa skapelser tillämpas inom områdena patientvård och rehabilitering.

Skapandet av cirkulationssystemet

Mjuka robotar kräver ett cirkulationssystem för att lagra energi och driva sina lemmar och rörelser, vilket gör att de kan utföra komplexa uppgifter.

Den nyligen utvecklade elastomerpumpen består av en mjuk silikontub som är utrustad med trådslingor som kallas solenoider. Dessa solenoider är placerade runt elastomerpumpens yta, och gapet mellan slingorna tillåter tuben att böjas och sträckas. Inuti tuben finns en fast kärnmagnet omgiven av magnetorheologisk vätska, som stelnar när den utsätts för ett magnetfält. Detta håller kärnan centrerad och skapar ett tätning på samma gång. Genom att applicera magnetfältet på olika sätt kan kärnmagneten flyttas fram och tillbaka för att driva vätskor som vatten och lågviskosa oljor framåt med kontinuerlig kraft.

Shepherd var medförfattare till forskningen tillsammans med Nathan Lazarus från U.S. Army Research Laboratory.

“Vi arbetar med tryck och flödeshastigheter som är 100 gånger högre än vad som har gjorts i andra mjuka pumpar”, sa Shepherd. “Jämfört med hårda pumpar är vi fortfarande cirka 10 gånger lägre i prestanda. Det betyder att vi inte kan trycka på mycket viskösa oljor med höga flödeshastigheter.”

Forskarna genomförde ett experiment för att demonstrera att pumpsystemet kan upprätthålla en kontinuerlig prestanda under stora deformationer. De spårade också prestandaparametrarna för att säkerställa att framtida iterationer kan anpassas efter behov för roboten.

“Vi tyckte att det var viktigt att ha skalningsrelationer för alla pumpens parametrar, så att när vi designar något nytt med olika tubdiametrar och längder, skulle vi veta hur vi ska ställa in pumpen för den prestanda vi vill ha”, sa Shepherd.