Инновационная система использует пар для создания движения, которое является простым, масштабируемым и удивительно мощным.
Непривязанный мягкий робот ползает по стволу дерева, приводимый в движение четырьмя паровыми электроприводами, работающими на воде.
Диого Фонсека
Португальские исследователи разработали мощную технологию, которая использует только воду и тепло для создания движения в мягких роботах, предлагая более безопасную, эффективную и легко масштабируемую альтернативу традиционным системам.
Сообщается, что прорыв в области фазового привода, разработанный учеными из Университета Коимбры, возрождает давно забытый подход, использующий переход воды из жидкого состояния в газообразное в качестве движущей силы для беспроводных мягких роботов с электрическим приводом.
В то время как традиционные конструкции используют тяжелую пневматику и специализированные детали, инновационная система имеет встроенный нагревательный элемент для кипячения воды, вырабатывая пар, который создает давление и точно приводит в движение мягкую конструкцию.
Исследовательская группа заявила, что работающий всего от 24 вольт привод генерирует силу более 50 ньютонов (Н) и создает давление со скоростью до 100 килопаскалей (кПа) в секунду.
Водяной пар встречает силу
Исследователи подчеркнули, что в отличие от традиционных систем мягкой робототехники истинная сила этого подхода заключается в его простоте, поскольку он использует простой процесс для достижения мощных механических характеристик.
«Нагревательный элемент находится в прямом контакте с жидкостью, что снижает тепловое сопротивление между ними», — заявили они. «Кроме того, электроэнергия напрямую подводится к нагревательному элементу с помощью внутренних проводников, что упрощает общую систему приведения в действие и позволяет избежать потерь, связанных с беспроводной передачей энергии».
Для разработки технологии команда отошла от более ранних попыток приведения в действие фазового перехода, многие из которых боролись с медленными скоростями деформации и механической деградацией. Таким образом, сосредоточившись на теплопередаче, выборе жидкости и оптимизации управления, они смогли преодолеть ограничения, которые долгое время препятствовали подобным технологиям.
Несмотря на относительно высокую энтальпию испарения воды, которая составляет около 540 кал/г при 212 градусах по Фаренгейту (100 градусах по Цельсию), исследователи рассматривали ее как меру долговечности, доказав, что при правильной конструкции даже высокоэнергетические переходы можно эффективно использовать.
В результате их приводы, изготовленные с использованием силиконовых эластомеров и воды, достигли скорости деформации 16,6 процента в секунду и оставались стабильными на протяжении более тысячи циклов срабатывания.
Переосмысление движения
Модульная конструкция приводов является еще одним ключевым достижением, поскольку разделение нагревательного элемента, жидкостной камеры и внешней мягкой оболочки позволило команде создать универсальную платформу, адаптируемую к различным типам движения.
Изготовленный с использованием стандартных методов 3D-печати и литья, линейный привод следует дизайну Маккиббена, в то время как изгибающий привод вдохновлен быстрой структурой Pneu-Net (fPN). По словам исследователей, оба являются недорогими и легко воспроизводимыми.
Группа также реализовала нелинейные алгоритмы управления для стабилизации процесса кипения, устраняя механическую нестабильность, вызванную кипением при недогреве, и обеспечивая плавное и надежное срабатывание для использования в реальных условиях.
Кредит: Группа робототехники и искусственного интеллекта Коимбрского университета.
Для проверки конструкции исследователи построили три прототипа, включая биомиметическую руку с линейными приводами для плавного манипулирования, мягкий захват, который обрабатывает нестандартные объекты, такие как фрукты, и четвероногого робота, который карабкается по трубам и стволам деревьев, используя цикл захвата-тяги, под названием Bixo.
Управляемый посредством локального нагрева и охлаждения приводов, Bixo смог завершить цикл движения всего за 25 секунд, не полагаясь на привязные насосы или опасные материалы.
В настоящее время команда сосредоточена на повышении эффективности охлаждения, дальнейшей миниатюризации системы и увеличении выходного давления, что, по их мнению, может обеспечить более быстрое время отклика, большую силу и более широкое применение в реальных робототехнических задачах.
Исследование опубликовано в журнале Nature.
Sourse: interestingengineering.com
