Регистрирай се сега

Влизам

Забравена Парола

Забравена парола? Моля, въведете вашия имейл адрес. Ще получите връзка и ще създадете нова парола по имейл.

Добавете публикация

Трябва да влезете, за да добавите публикация .

Влизам

Регистрирай се сега

Добре дошли в Scholarsark.com! Вашата регистрация ще ви даде достъп до използване на повече функции на тази платформа. Можете да задавате въпроси, дават приноси или да предоставят отговори, прегледайте профилите на други потребители и много други. Регистрирай се сега!

Използване на ток и вода, нов вид двигател може да плъзга микророботи в движение

Огледайте се и вероятно ще видите нещо, което работи на електрически двигател. Микрохидравлични задвижващи механизми, по-тънък от една трета от ширината на човешката коса, се оказват най-мощните и ефективни двигатели в микромащаб. Мощен и ефективен, те поддържат голяма част от нашия свят в движение, всичко от нашите компютри през хладилници до автоматичните прозорци в нашите автомобили. Но тези качества се променят към по-лошо, когато такива двигатели се свият до размери, по-малки от кубичен сантиметър.

Водни капчици се вкарват в микрохидравличния задвижващ механизъм, който се върти, когато се приложи напрежение към електроди, които дърпат капчиците в една посока. This disc-shaped actuator’s inner diameter is 5 милиметри.
Снимка: Глен Купър

“В много малки мащаби, получавате нагревател вместо двигател,” казах Якуб Кеджиерски, персонал в лабораторията на MIT Lincoln Химически, Микросистема, и Nanoscale Technologies Group. днес, не съществува двигател, който да е едновременно високоефективен и мощен при микроразмери. И това е проблем, защото двигателите в този мащаб са необходими, за да приведат в движение миниатюрни системи - микрогимбали, които могат да насочват лазери към част от градуса на хиляди мили, малки дронове, които могат да се вмъкнат в останките, за да намерят оцелели, или дори ботове, които могат да пълзят през храносмилателния тракт на човека.

В помощ на енергийни системи като тези, Кеджиерски и неговият екип правят нов тип двигател, наречен микрохидравличен задвижващ механизъм. Задвижващите механизми се движат с ниво на прецизност, ефективност, и мощност, която все още не е възможна в микромащаб. Документ, описващ тази работа беше публикуван през септември 2018 проблем на Научна роботика.

Микрохидравличните задвижващи механизми използват техника, наречена електронамокряне, за да постигнат движение. Електроумокрянето прилага електрическо напрежение към водни капчици върху твърда повърхност, за да изкриви повърхностното напрежение на течността. Задвижващите механизми се възползват от това изкривяване, за да принудят водните капчици вътре в задвижващия механизъм да се движат, и с тях, целия задвижващ механизъм.

“Помислете за капчица вода на прозореца; силата на гравитацията го изкривява, и се движи надолу,” каза Кеджиерски. “Тук, ние използваме напрежение, за да предизвикаме изкривяването, което от своя страна произвежда движение.”

Задвижващият механизъм е конструиран в два слоя. Долният слой е метален лист с щамповани в него електроди. Този слой е покрит с диелектрик, изолатор, който се поляризира при прилагане на електрическо поле. Най-горният слой е лист от полиимид, здрава пластмаса, в който има пробити плитки канали. Каналите насочват пътя на десетки водни капчици, които се нанасят между двата слоя и са подравнени с електродите. За задържане на изпарението, водата се смесва предварително с разтвор на литиев хлорид, което понижава налягането на водните пари достатъчно, за да могат капчиците с размер на микрометър да издържат месеци. Капчиците запазват закръглената си форма (вместо да бъде смачкан между слоевете) поради тяхното повърхностно напрежение и относително малки размери.

Задвижващият механизъм оживява, когато върху електродите се приложи напрежение, макар и не към всички наведнъж. Извършва се в цикъл на включване на два електрода на капчица наведнъж. Без напрежение, една водна капчица лежи неутрално върху два електрода, 1 и 2. Но приложете напрежение към електродите 2 и 3, и изведнъж капчица се деформира, разтягане, за да докоснете захранвания електрод 3 и изтегляне на електрода 1.

Тази хоризонтална сила в една капчица не е достатъчна за преместване на задвижващия механизъм. Но с този цикъл на напрежение, който се прилага в унисон към електродите под всяка капка в масива, целият полиимиден слой се плъзга, за да успокои привличането на капките към захранваните електроди. Продължавайте да превключвате напрежението, и капчиците продължават да ходят по електродите и слоят продължава да се плъзга върху тях; изключете напрежението, и задвижващият механизъм спира в хода си. Напрежението, тогава, се превръща в мощен инструмент за прецизен контрол на движението на задвижващия механизъм.

Но как задвижването се изправя срещу други видове двигатели? Двата показателя за измерване на производителността са плътността на мощността, или количеството мощност, което двигателят произвежда спрямо теглото му, и ефективност, или мярката за изразходвана енергия. Един от най-добрите електрически двигатели по отношение на ефективност и плътност на мощността е двигателят на седана Tesla Model S. Когато екипът тества микрохидравличните задвижващи механизми, те откриха, че са точно зад плътността на мощността на Model S (при 0.93 киловат на килограм) и изходна ефективност (при 60 процент ефективност при максимална плътност на мощността). Те значително надвишават пиезоелектричните задвижващи механизми и други видове микроактуатори.

“Ние сме развълнувани, защото постигаме този показател, и ние все още се подобряваме, тъй като мащабираме до по-малки размери,” каза Кеджиерски. Задвижващите механизми се подобряват при по-малки размери, тъй като повърхностното напрежение остава същото, независимо от размера на водните капчици — и по-малките капчици оставят място за още повече капчици, които да се притискат и да упражняват своята хоризонтална сила върху задвижващия механизъм. “Плътността на мощността просто нараства. Това е като да имаш въже, чиято сила не отслабва, докато става по-тънка,” той добави.

Най-новият задвижващ механизъм, този, който е близо до модела S, имаше разделяне на 48 микрометри между капчиците. Сега екипът намалява това до 30 микрометри. Те проектират това, в този мащаб, задвижващият механизъм ще съответства на Tesla Model S по плътност на мощността, и, при 15 микрометри, затъмни го.

Намаляването на задвижващите механизми е само една част от уравнението. Другият аспект, върху който екипът активно работи, е 3-D интеграция. Точно сега, единичен задвижващ механизъм е двуслойна система, по-тънък от найлонов плик и също гъвкав като такъв. Те искат да подредят задвижващите механизми в система, подобна на скеле, която може да се движи в три измерения.

Кеджиерски си представя такава система, имитираща телата ни’ мускулна матрица, мрежата от тъкани, които позволяват на нашите мускули да постигнат мигновено, мощен, и гъвкаво движение. Десет пъти по-мощен от мускулите, задвижващите механизми са вдъхновени от мускулите по много начини, от тяхната гъвкавост и лекота до техния състав от течни и твърди компоненти.

И точно както мускулът е отличен задвижващ механизъм в мащаба на мравка или слон, тези микрохидравлични задвижващи механизми, също, може да има мощно въздействие не само в микромащаб, но на макроса.

“Човек може да си представи,” каза Ерик Холихан, който сглобява и тества задвижващите механизми, “технологията, която се прилага към екзоскелети,” изграден със задвижващите механизми, работещи като реалистичен мускул, конфигурирани в гъвкави съединения вместо зъбни колела. Или крилото на самолета може да промени формата по електрическа команда, с хиляди задвижващи механизми, плъзгащи се един през друг, за да променят аеродинамичната форма на крилото.

Докато въображението им се бури, екипът е изправен пред предизвикателства при разработването на големи системи от задвижващи механизми. Едно предизвикателство е как да разпределите мощността при този обем. Паралелни усилия в лабораторията, която разработва микробатерии за интегриране със задвижващите механизми, може да помогне за решаването на този проблем. Друго предизвикателство е как да се опаковат задвижващите механизми, така че да се елиминира изпаряването.

“Надеждността и опаковката ще продължат да бъдат преобладаващите въпроси, които ни задават относно технологията, докато не демонстрираме решение,” каза Холихан. “Това е нещо, което ще атакуваме челно през следващите месеци.”


Източник: http://news.mit.edu, от Кайли Фой

относно Мари

Оставете коментар

Брилянтно безопасно и Студентски център Учебна платформа 2021