วิศวกรสร้างหัวใจให้หุ่นยนต์แบบอ่อน

ทีมนักวิจัยจาก Cornell และ U.S. Army Research Laboratory ได้ร่วมมือกันใช้แรงไฮโดรไดนามิกและแม่เหล็กเพื่อขับเคลื่อนปั๊มที่ทำจากยางและสามารถเปลี่ยนรูปได้ ซึ่งทำให้หุ่นยนต์แบบอ่อนมีระบบไหลเวียน โดยระบบนี้เลียนแบบชีววิทยาของสัตว์ในธรรมชาติ

บทความที่มีชื่อว่า “Magnetohydrodynamic Levitation for High-Performance Flexible Pumps” ได้รับการตีพิมพ์ใน Proceedings of the National Academy of Sciences.

เครื่องจักรที่เหมือนสิ่งมีชีวิต

Rob Shepherd เป็นรองศาสตราจารย์สาขาวิศวกรรมเครื่องกลและวิศวกรรมการบินและอวกาศใน College of Engineering เขาเป็นผู้นำทีมนักวิจัยที่ Cornell ร่วมกับ Yoav Matia ผู้เขียนบทความหลัก

“ปั๊มแบบอ่อนที่กระจายอยู่เหล่านี้ทำงานคล้ายหัวใจของมนุษย์และหลอดเลือดแดงที่ลำเลียงเลือดออกไปมากกว่าเดิม” Shepherd กล่าว “กลุ่มของเราเคยตีพิมพ์งานวิจัยเรื่อง ‘เลือดหุ่นยนต์’ และตอนนี้เรามี ‘หัวใจหุ่นยนต์’ การรวมกันของทั้งสองสิ่งนี้จะทำให้เครื่องจักรเหมือนสิ่งมีชีวิตมากขึ้น”

ห้องปฏิบัติการ Organic Robotics ที่ Shepherd เป็นผู้นำเคยใช้วัสดุคอมโพสิตแบบอ่อนในการออกแบบเทคโนโลยีต่างๆ เช่น เซ็นเซอร์ “ผิว” ที่สามารถยืดได้ และจอแสดงผล braille ที่ขับเคลื่อนด้วยการเผาไหม้ และเสื้อผ้าที่สามารถติดตามประสิทธิภาพการออกกำลังกายได้ พวกเขายังพัฒนาหุ่นยนต์แบบอ่อนที่สามารถเดิน คลาน ว่ายน้ำ และขับเหงื่อได้ ตามทีมนักวิจัย สิ่งประดิษฐ์เหล่านี้จำนวนมากอาจนำไปใช้ในด้านการดูแลผู้ป่วยและการฟื้นฟูได้

การสร้างระบบไหลเวียน

หุ่นยนต์แบบอ่อนต้องการระบบไหลเวียนเพื่อเก็บพลังงานและให้กำลังแก่แขนขาและการเคลื่อนไหวของมัน ซึ่งช่วยให้สามารถทำงานที่ซับซ้อนได้

ปั๊มอีลาสโตเมอร์ที่พัฒนาขึ้นใหม่นี้ประกอบด้วยท่อซิลิโคนอ่อนที่ติดตั้งขดลวดเรียกว่าโซลินอยด์ ซึ่งวางกระจายรอบด้านนอกของปั๊ม ช่องว่างระหว่างขดลวด ทำให้ท่อสามารถงอและยืดได้ ภายในท่อมีแม่เหล็กแกนแข็งล้อมรอบด้วยของเหลวแมกนีโตรีโอโลจิคัล ซึ่งจะแข็งขึ้นเมื่อสัมผัสสนามแม่เหล็ก สิ่งนี้ช่วยให้แกนแม่เหล็กอยู่ตรงกลางและสร้างการปิดผนึกในเวลาเดียวกัน โดยการประยุกต์ใช้สนามแม่เหล็กในหลายรูปแบบ สามารถขยับแม่เหล็กแกนกลางไปมาเพื่อผลักดันของเหลว เช่น น้ำและน้ำมันที่มีความหนืดต่ำด้วยแรงต่อเนื่อง

Shepherd เป็นผู้เขียนอาวุโสร่วมของงานวิจัยร่วมกับ Nathan Lazarus จาก U.S. Army Research Laboratory

“เรากำลังทำงานที่ความดันและอัตราการไหลที่สูงกว่าที่ทำได้ในปั๊มแบบอ่อนอื่นๆ ถึง 100 เท่า” Shepherd กล่าว “เมื่อเทียบกับปั๊มแบบแข็ง ประสิทธิภาพของเรายังอยู่ที่ประมาณหนึ่งในสิบ นั่นหมายความว่าเราไม่สามารถสูบน้ำมันที่มีความหนืดสูงมากด้วยอัตราการไหลที่สูงมากได้”

นักวิจัยได้ทำการทดลองเพื่อแสดงให้เห็นว่าระบบปั๊มสามารถทำงานต่อเนื่องได้ภายใต้การเปลี่ยนแปลงรูปทรงที่ใหญ่ พวกเขายังติดตามพารามิเตอร์การทำงานเพื่อให้แน่ใจว่าสามารถปรับแต่งให้เหมาะสมกับหุ่นยนต์ได้ในอนาคต

“เราคิดว่ามันสำคัญที่จะมีความสัมพันธ์ในการปรับขนาดสำหรับพารามิเตอร์ต่างๆ ของปั๊ม เพื่อที่เมื่อเราออกแบบสิ่งใหม่ด้วยเส้นผ่านศูนย์กลางท่อและความยาวที่แตกต่างกัน เราจะรู้ว่าเราควรปรับปั๊มให้เหมาะสมกับการทำงานที่เราต้องการ” Shepherd กล่าว