Mjuk robot svettas för att reglera temperaturen

Forskare vid Cornell University har utvecklat en mjuk robotmuskel som kan reglera sin temperatur genom att svettas. Den nya utvecklingen är en av många som förvandlar området mjuk robotik.

Tekniken för termisk hantering är en grundläggande del i skapandet av obundna, högeffektiva robotar som kan operera under långa perioder utan att överhettas.

Projektet leddes av Rob Shepherd, en biträdande professor i mekanisk och rymdteknik vid Cornell.

Lagets artikel med titeln “Automatisk svettning i 3D-utskrivna hydrogelaktuatorer” publicerades i Science Robotics.

En av de svåraste aspekterna av att utveckla uthålliga, anpassningsbara och smidiga robotar är att hantera robotens inre temperatur. Enligt Shepherd kommer roboten att gå fel eller sluta fungera helt om de högeffektiva motorerna och exoterma motorerna som driver en robot överhettas.

Detta problem är särskilt närvarande i mjuka robotar eftersom de är tillverkade av syntetiskt material. Mjuka robotar är mer flexibla, men denna ökade flexibilitet gör att de håller värmen. Detta är inte fallet för metaller, som avger värme mycket snabbare. Problemet med en intern kylningsTeknik, som en fläkt, är att den skulle ta upp för mycket utrymme inuti roboten och öka vikten.

Med dessa utmaningar i åtanke tittade Shepherds team på däggdjur och deras naturliga förmåga att svettas som inspiration för ett kylsystem.

“Förmågan att svettas är en av de mest anmärkningsvärda egenskaperna hos människor”, sa medförfattaren T.J. Wallin, en forskare vid Facebook (META ) Reality Labs. “Svettning utnyttjar den avdunstade vattenförlusten för att snabbt avge värme och kan kyla under den omgivande miljötemperaturen. … Så som ofta är fallet gav biologin en utmärkt guide för oss som ingenjörer.”

Shepherds team samarbetade med laboratoriet för Cornell-engineeringprofessorn Emmanual Giannelis. Tillsammans skapade de nanopolymermaterial som behövdes för svettning. De utvecklade dessa med hjälp av en 3D-utskriftsteknik som kallas multi-material stereolitografi, som förlitar sig på ljus för att härdra hartser till förutbestämda former.

Forskarna tillverkade sedan fingerliknande aktuatorer som bestod av två hydrogelmaterial som kunde behålla vatten och reagera på temperatur. Ett annat sätt att se på det är att dessa var “smartare” svampar. Baslagret består av poly-N-isopropylacrylamid, som reagerar på temperaturer över 30°C (86°F) genom att dra ihop sig. Denna reaktion pressar upp vatten till ett översta lager av polyakrylamid som är perforerat med mikronstora porer. Porerna reagerar på samma temperaturintervall och de släpper ut “svett” genom att automatiskt expandera innan de stängs när temperaturen sjunker under 30°C.

När vattnet avdunstar minskas aktuatorns yttre temperatur med 21°C inom 30 sekunder. Denna kylningsprocess är tre gånger mer effektiv än den som finns hos människor, enligt forskarna. När de utsätts för vind från en fläkt kan aktuatorerna kyla av sig ungefär sex gånger snabbare.

En av problemen med tekniken är att den kan påverka en robots rörlighet. Robotarna kräver också att fylla på sin vattenförsörjning. På grund av detta ser Shepherd fram emot mjuka robotar som så småningom både svettas och dricker som däggdjur.

Den nya utvecklingen av denna teknik följer ett mycket tydligt mönster inom robotikindustrin. Teknologi utvecklas alltmer baserat på vår naturliga miljö. Oavsett om det är svettningens kylningsprocess som finns hos däggdjur, neurala nätverk baserade på manet eller konstgjord hud, är robotik ett område som på många sätt bygger på det vi redan har i naturen.