Cómo el vapor de agua proporciona electricidad a la próxima generación de robots blandos

La activación de transformación de fase se ha revivido para la era de los robots blandos inmorales con energía eléctrica. Nuestro equipo de la Universidad de Coimbra ha desarrollado un actuador suave de transición de fase diseñado para alimentar robots suaves eléctricos, que requieren alta fuerza y ​​precisión. Nuestra innovación aprovecha la infección de la fase líquida a la fase del agua para generar movimiento mecánico de una manera simple, escalable y notable.

A diferencia de los actuadores blandos tradicionales, que a menudo dependen de la neumática pesada, los materiales extraños o el alto voltaje, nuestro diseño explota un proceso famoso: la ebullición. Usando un pequeño calentador incrustado, nuestro actuador convierte el agua en vapor, causando la presión interna que mueve la velocidad en estructuras suaves y flexibles. Como resultado, nuestro actuador puede operar en el voltaje como 24 V, distribuir más de 50 N fuerzas y obtener tasas de presión de hasta 100 kPa/s.

Nuestras conclusiones son Publicado En Comunicación de la naturaleza,

¿Por qué agua?

Los intentos anteriores en los actuadores de transición de fase han luchado con tasas de estrés lentas, demostraciones y diseños complejos. Nuestro equipo abordó estos desafíos centrándose en las cosas básicas de ingeniería: selección de fluidos, transferencia de calor y control.

Elegimos el agua como nuestro líquido de trabajo para su seguridad, disponibilidad y eficiencia termodinámica. A través de un riguroso proceso de selección, demostramos que la evaporación de la evaporación relativamente alta del agua, una vez vista como un defecto, en realidad puede servir como un punto de referencia de rendimiento confiable. El requisito de alta energía significa que hay espacio para mejorar con una opción de bagal baja, siempre que se mantenga la seguridad.

En comparación directa, nuestros actuadores realizados con elastómeros de silicio y agua, tuvieron un rendimiento mucho mejor que los diseños anteriores, fortaleciéndose en más de mil ciclos de activación y lograron una tasa de estrés del 16,6%/s.

Beneficios de la modularidad

Nuestro diseño tiene una modularidad en el corazón. Al separar la bobina de calentamiento, la cámara de fluido de trabajo y la estructura blanda externa, creamos un sistema flexible que se puede adaptar para una variedad de velocidades: una combinación de lineal, flexión o ambos. Nuestro actuador lineal se basa en un diseño de McKiben, mientras que la versión de flexión sigue una geometría de pneu-net (FPN) nítidas.

Diseñamos nuestros actuadores utilizando materiales listos para usar y métodos de fabricación accesibles, como la impresión 3D y la fundición.

A pesar de su simplicidad, nuestro diseño cubre principios sofisticados de ingeniería. Por ejemplo, resolvimos un problema importante en diseños anteriores: vibraciones mecánicas subulteriores. Estas inestabilidad se redujeron mediante el uso del algoritmo de control no lineal que mantiene un estado de ebullición estable, proviene de desajustes termodinámicos dentro del actuador.

En la naturaleza

¿Qué puede hacer realmente este actuador de transición de fase de alta potencia? Para demostrar su habilidad, desarrollamos tres prototipos:

Los expertos dicen

• Una mano biométrica funciona con tres actuadores lineales que permiten la manipulación de objetos suaves.
• Uso de tres actuadores de flexión para tomar varias formas y objetos de peso, incluidos una pinza suave, modelos de frutas.
• Y Bikso, un robot cuádruple diseñado para escalar el tubo y gatear por las medias de los árboles.

El movimiento cíclico de Bixo (recreativo, estiramiento y liberación) se controla mediante calefacción y enfriamiento localizados de sus actuadores. Incluso con el rango conocido de enfriamiento lento (es decir, depresión lenta), obtuvimos un ciclo estable en 25 segundos.

Estos prototipos no solo muestran la viabilidad, sino que indican en una nueva clase emergente de robots blandos: costo efectivo, seguro y capaz de operar cualquier bomba tectora o materiales peligrosos en el entorno natural.

Ebullición futura

Además, las reformas potenciales incluyen miniaturas (para aumentar el desperdicio de calor), operaciones de alta presión y mecanismos de precarga avanzados. Sin embargo, incluso en su situación actual, nuestros diseños de actuadores proporcionan una base confiable para los investigadores que exigen crear robots blandos sin las complicaciones de la neumática o los riesgos asociados con los sistemas de alto voltaje.

¿Llevar? Con un poco de calor y algo de ingeniería innovadora, un tubo lleno de agua puede ser el actuador más poderoso que nunca ha considerado.

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