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Strom und Wasser verbrauchen, Ein neuartiger Motor kann Mikroroboter in Bewegung setzen

Schauen Sie sich um und Sie werden wahrscheinlich etwas sehen, das mit einem Elektromotor läuft. Mikrohydraulische Aktuatoren, dünner als ein Drittel der Breite eines menschlichen Haares, erweisen sich im Mikromaßstab als die leistungsstärksten und effizientesten Motoren. Leistungsstark und effizient, sie halten einen Großteil unserer Welt in Bewegung, alles von unseren Computern über Kühlschränke bis hin zu den automatischen Fenstern in unseren Autos. Aber diese Eigenschaften ändern zum Schlechteren, wenn solche Motoren geschrumpft sind bis auf Größen kleiner als ein Kubikzentimeter.

Wassertröpfchen werden in den Aktor eingesteckt micro, die sich dreht, wenn eine Spannung an Elektroden angelegt wird, dass die Tröpfchen in eine Richtung ziehen. Dieses scheibenförmigen Betätigungsglied des Innendurchmesser 5 Millimeter.
Foto: Glen Cooper

“Bei sehr kleinen Skalen, Sie anstelle eines Motors eine Heizung bekommen,” sagte Jakub Henke, Mitarbeiter des MIT Lincoln Laboratory Chemisch, Mikrosystem-, und Nanoskalige Technologies Group. Heute, es gibt keinen Motor, der bei Mikrogrößen sowohl hocheffizient als auch leistungsstark ist. Und das ist ein Problem, weil Motoren dieser Größenordnung benötigt werden, um miniaturisierte Systeme in Bewegung zu setzen – Mikrokardanringe, die Laser auf einen Bruchteil eines Grades über Tausende von Kilometern ausrichten können, winzige Drohnen, die sich in Trümmer quetschen können, um Überlebende zu finden, oder sogar Bots, die durch den menschlichen Verdauungstrakt kriechen können.

Um Stromsystemen wie diesen zu helfen, Kedzierski und sein Team entwickeln einen neuen Motortyp namens mikrohydraulischer Aktuator. Die Aktuatoren bewegen sich mit einer gewissen Präzision, Wirksamkeit, und Leistung, die im Mikromaßstab noch nicht möglich war. Ein Papier, das diese Arbeit beschreibt, war veröffentlicht im September 2018 Problem von Wissenschaft Robotics.

Die mikrohydraulischen Aktuatoren verwenden eine Technik namens Elektrobenetzung, um Bewegung zu erreichen. Beim Electrowetting wird eine elektrische Spannung an Wassertröpfchen auf einer festen Oberfläche angelegt, um die Oberflächenspannung der Flüssigkeit zu verzerren. Die Aktuatoren nutzen diese Verzerrung, um Wassertropfen im Inneren des Aktuators in Bewegung zu setzen, und mit ihnen, der gesamte Antrieb.

“Denken Sie an einen Wassertropfen auf einem Fenster; die Schwerkraft verzerrt es, und es bewegt sich nach unten,” sagte Kedzierski. “Hier, Wir verwenden Spannung, um die Verzerrung zu verursachen, was wiederum Bewegung erzeugt.”

Der Aktor ist zweischichtig aufgebaut. Die untere Schicht ist ein Blech mit eingestanzten Elektroden. Diese Schicht ist mit einem Dielektrikum bedeckt, ein Isolator, der beim Anlegen eines elektrischen Feldes polarisiert wird. Die oberste Schicht ist eine Folie aus Polyimid, ein starker Kunststoff, in das flache Kanäle gebohrt sind. Die Kanäle leiten den Weg von Dutzenden von Wassertröpfchen, die zwischen den beiden Schichten aufgetragen und auf die Elektroden ausgerichtet sind. Um die Verdunstung zu verhindern, das Wasser wird mit einer Lösung von Lithiumchlorid vorgemischt, wodurch der Dampfdruck des Wassers so weit gedrückt wird, dass die mikrometergroßen Tröpfchen monatelang halten. Die Tröpfchen behalten ihre abgerundete Form (anstatt zwischen den Schichten gequetscht zu werden) aufgrund ihrer Oberflächenspannung und relativ geringen Größe.

Der Aktor erwacht zum Leben, wenn Spannung an die Elektroden angelegt wird, wenn auch nicht für alle auf einmal. Dies geschieht in einem Zyklus, bei dem zwei Elektroden pro Tröpfchen gleichzeitig eingeschaltet werden. Ohne Spannung, ein einzelner Wassertropfen liegt neutral auf zwei Elektroden, 1 und 2. Aber legen Sie eine Spannung an die Elektroden 2 und 3, und plötzlich ist das Tröpfchen verformt, sich strecken, um die erregte Elektrode zu berühren 3 und Abziehen der Elektrode 1.

Diese horizontale Kraft in einem Tropfen reicht nicht aus, um den Aktuator zu bewegen. Aber mit diesem Spannungszyklus, der gleichzeitig an die Elektroden unter jedem Tropfen in der Anordnung angelegt wird, die gesamte Polyimidschicht gleitet über, um die Anziehungskraft der Tropfen auf die erregten Elektroden zu beruhigen. Schalten Sie die Spannung weiter durch, und Tröpfchen laufen weiter über die Elektroden und die Schicht gleitet weiter; schalte die spannung aus, und der Aktuator bleibt in seiner Spur stehen. Die Spannung, dann, wird zu einem leistungsstarken Werkzeug zur präzisen Steuerung der Bewegung des Aktuators.

Aber wie hält sich der Aktuator gegenüber anderen Motorentypen?? Die beiden Metriken zur Messung der Leistung sind die Leistungsdichte, oder die Leistung des Motors im Verhältnis zu seinem Gewicht, und Effizienz, oder das Maß der verschwendeten Energie. Einer der besten Elektromotoren in Bezug auf Effizienz und Leistungsdichte ist der Motor der Tesla Model S Limousine. Als das Team die mikrohydraulischen Aktuatoren testete, Sie fanden, dass sie knapp hinter der Leistungsdichte des Model S lagen (beim 0.93 Kilowatt pro Kilogramm) und Effizienzleistung (beim 60 Prozent effizient bei maximaler Leistungsdichte). Sie übertrafen piezoelektrische Aktoren und andere Arten von Mikroaktoren bei weitem.

“Wir freuen uns, weil wir diese Benchmark erfüllen, und wir verbessern uns immer noch, da wir auf kleinere Größen skalieren,” Kedzierski sagte. Die Aktuatoren verbessern sich bei kleineren Größen, da die Oberflächenspannung unabhängig von der Wassertröpfchengröße gleich bleibt – und kleinere Tröpfchen schaffen Platz für noch mehr Tröpfchen, die sich hineinquetschen und ihre horizontale Kraft auf den Aktuator ausüben. “Die Leistungsdichte schießt einfach in die Höhe. Es ist wie ein Seil, deren Festigkeit nicht schwächen, da es dünner wird,” er fügte hinzu.

Der neueste Aktuator, der eine nahe der Borte Model S, hatte eine Trennung von 48 mgr; m zwischen Tröpfchen. Das Team schrumpft nun, dass bis zu 30 mgr; m. Sie projizieren, dass, bei diesem Maßstab, der Aktor das Tesla Model S in Leistungsdichte entsprechen, und, beim 15 mgr; m, eclipse es.

Skalieren das Betätigungselement nach unten ist nur ein Teil der Gleichung. Der andere Aspekt ist das Team aktiv an der Arbeit ist 3-D-Integration. Jetzt sofort, ein einzelner Aktor ist ein Zweischichtsystem, dünner als eine Plastiktüte und auch so flexibel. Sie wollen die Aktoren in einem gerüstartigen System stapeln, das sich in drei Dimensionen bewegen kann.

Kedzierski stellt sich ein solches System vor, das unseren Körper nachahmt’ Muskelmatrix, das Gewebenetz, das es unseren Muskeln ermöglicht, augenblicklich zu erreichen, mächtig, und flexible Bewegung. Zehnmal stärker als Muskeln, die Aktuatoren wurden in vielerlei Hinsicht von Muskelkraft inspiriert, von ihrer Flexibilität und Leichtigkeit bis hin zu ihrer Zusammensetzung aus flüssigen und festen Bestandteilen.

Und genau wie Muskeln ein hervorragender Antrieb im Ausmaß einer Ameise oder eines Elefanten sind, diese mikrohydraulischen Aktuatoren, auch, könnte nicht nur auf der Mikroskala eine starke Wirkung haben, aber beim Makro.

“Könnte man sich vorstellen,” sagte Eric Holihan, wer hat die Antriebe montiert und getestet, “die Technologie, die auf Exoskelette angewendet wird,” gebaut mit den Aktoren, die wie lebensechte Muskeln arbeiten, in flexiblen Gelenken anstelle von Zahnrädern konfiguriert. Oder ein Flugzeugflügel könnte sich auf elektrischen Befehl hin verändern, mit Tausenden von Aktuatoren, die aneinander vorbeigleiten, um die aerodynamische Form des Flügels zu ändern.

Während ihre Vorstellungskraft brodelt, das Team steht vor Herausforderungen bei der Entwicklung großer Systeme der Aktoren. Eine Herausforderung besteht darin, die Energie bei dieser Lautstärke zu verteilen. Ein paralleler Versuch im Labor, das Mikrobatterien zur Integration in die Aktoren entwickelt, könnte zur Lösung dieses Problems beitragen. Eine weitere Herausforderung besteht darin, die Aktoren so zu verpacken, dass Verdunstung vermieden wird.

“Zuverlässigkeit und Verpackung werden weiterhin die vorherrschenden Fragen sein, die uns an die Technologie gestellt werden, bis wir eine Lösung demonstrieren,” sagte Holihan. “Dies ist etwas, das wir in den kommenden Monaten direkt angreifen wollen.”


Quelle: http://news.mit.edu, von Kylie Foy

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