Uzante elektron kaj akvon, nova speco de motoro povas gliti mikrorobotojn en moviĝon

Rigardu ĉirkaŭen kaj vi verŝajne vidos ion, kiu funkcias per elektra motoro. Mikrohidraŭlikaj aktuarioj, pli maldika ol triono de la larĝo de homaj haroj, pruvas esti la plej potencaj kaj efikaj motoroj je la mikroskalo. Potenca kaj efika, ili tenas grandan parton de nia mondo moviĝanta, ĉio de niaj komputiloj ĝis fridujoj ĝis la aŭtomataj fenestroj en niaj aŭtoj. Sed ĉi tiuj kvalitoj plimalboniĝas kiam tiaj motoroj estas malpligrandigitaj al grandecoj pli malgrandaj ol kuba centimetro..

Akvaj gutetoj estas enigitaj en la mikrohidraŭlikan aktuarion, kiu turniĝas kiam tensio estas aplikata al elektrodoj kiuj tiras la gutetojn en unu direkto. La interna diametro de ĉi tiu diskoforma aktuario estas 5 milimetroj.

Foto: Glen Cooper

“Je tre malgrandaj skaloj, vi ricevas hejtilon anstataŭ motoron,” diris Jakub Kedzierski, personaro en tiu de MIT Lincoln Laboratory Kemia, Mikrosistemo, kaj Nanoscale Technologies Group. Hodiaŭ, neniu motoro ekzistas kiu estas kaj tre efika kaj potenca ĉe mikrograndecoj. Kaj tio estas problemo, ĉar motoroj sur tiu skalo estas necesaj por meti miniaturigitajn sistemojn en moviĝon - mikrogimbals kiuj povas direkti laserojn al frakcio de grado super miloj da mejloj., etaj virabeloj, kiuj povas enpremiĝi en vrakaĵon por trovi pluvivantojn, aŭ eĉ robotoj kiuj povas rampi tra la homa digesta vojo.

Por helpi potencajn sistemojn kiel ĉi tiuj, Kedzierski kaj lia teamo faras novan specon de motoro nomita mikrohidraŭlika aktuario. La aktuarioj moviĝas kun nivelo de precizeco, efikeco, kaj potenco kiu ankoraŭ ne estis ebla ĉe la mikroskalo. Artikolo priskribanta ĉi tiun laboron estis publikigita en septembro 2018 afero de Scienca Robotiko.

La mikrohidraŭlikaj aktuarioj uzas teknikon nomitan elektromalsekigado por atingi moviĝon. Elektromalsekiĝo aplikas elektran tension al akvogutetoj sur solida surfaco por distordi la surfacan streĉiĝon de la likvaĵo.. La aktuarioj ekspluatas tiun misprezenton por devigi akvogutetojn ene de la aktuario moviĝi, kaj kun ili, la tuta aktuario.

“Pensu pri guto da akvo sur fenestro; la forto de gravito distordas ĝin, kaj ĝi moviĝas malsupren,” diris Kedzierski. “Jen, ni uzas tension por kaŭzi la distordon, kiu siavice produktas movon.”

La aktuario estas konstruita en du tavoloj. La malsupra tavolo estas metala lado kun elektrodoj stampitaj en ĝi. Ĉi tiu tavolo estas kovrita per dielektriko, izolilo kiu iĝas polarigita kiam elektra kampo estas aplikata. La supra tavolo estas folio el poliimido, forta plasto, kiu havas malprofundajn kanalojn boritaj en ĝi. La kanaloj gvidas la vojon de dekduoj da akvogutetoj kiuj estas aplikitaj inter la du tavoloj kaj estas vicigitaj kun la elektrodoj.. Por malhelpi vaporiĝon, la akvo estas premisita kun solvo de litia klorido, kiu subpremas la vaporpremon de la akvo sufiĉe por ke la mikrometro-grandaj gutetoj daŭros dum monatoj. La gutetoj konservas sian rondan formon (anstataŭ esti premplatigita inter la tavoloj) pro ilia surfaca tensio kaj relative malgranda grandeco.

La aktuario venas al vivo kiam tensio estas aplikita al la elektrodoj, kvankam ne al ĉiuj samtempe. Ĝi estas farita en ciklo de ŝaltado de du elektrodoj po guteto samtempe. Sen tensio, ununura akvoguto ripozas neŭtrale sur du elektrodoj, 1 kaj 2. Sed apliki tension al elektrodoj 2 kaj 3, kaj subite la guto misformiĝas, streĉante por tuŝi la energiigitan elektrodon 3 kaj tirado de elektrodo 1.

Ĉi tiu horizontala forto en unu guto ne sufiĉas por movi la aktuarion. Sed kun ĉi tiu tensiociklo aplikata unisone al la elektrodoj sub ĉiu guto en la tabelo, la tuta poliimida tavolo glitas por trankviligi la altiron de la gutoj al la energiigitaj elektrodoj.. Daŭre bicikli la tension tra, kaj gutetoj daŭre piediras super la elektrodoj kaj la tavolo daŭre glitas super; malŝaltu la tension, kaj la aktuario haltas en siaj spuroj. La tensio, tiam, iĝas potenca ilo por precize kontroli la movadon de la aktuario.

Sed kiel la aktuario staras kontraŭ aliaj specoj de motoroj? La du metrikoj por mezuri efikecon estas potencodenseco, aŭ la kvanto de potenco kiun la motoro produktas rilate al sia pezo, kaj efikeco, aŭ la mezuro de malŝparita energio. Unu el la plej bonaj elektraj motoroj laŭ efikeco kaj potenco-denseco estas la motoro de la Tesla Model S-kabinaŭto.. Kiam la teamo testis la mikrohidraŭlikajn aktuariojn, ili trovis ilin ĵus malantaŭ la potencodenseco de la Model S (ĉe 0.93 kilovato por kilogramo) kaj efikeco eligo (ĉe 60 procento efika ĉe maksimuma potenca denseco). Ili vaste superis piezoelektrajn aktuariojn kaj aliajn specojn de mikroaktuatorioj.

“Ni estas ekscititaj ĉar ni renkontas tiun komparnormon, kaj ni ankoraŭ pliboniĝas dum ni skalas al pli malgrandaj grandecoj,” diris Kedzierski. La aktuarioj pliboniĝas je pli malgrandaj grandecoj ĉar surfaca tensio restas la sama sendepende de la akvogutetograndeco - kaj pli malgrandaj gutetoj faras lokon por eĉ pli da gutetoj por enpremi kaj peni sian horizontalan forton sur la aktuario.. “Potenca denseco nur pafas. Estas kiel havi ŝnuron, kies forto ne malfortiĝas kiam ĝi maldikiĝas,” li aldonis.

La plej nova aktuario, tiu randa proksime al la Modelo S, havis apartigon de 48 mikrometroj inter gutetoj. La teamo nun ŝrumpas tion malsupren al 30 mikrometroj. Ili projektas tion, je tiu skalo, la aktuario kongruos kun la Tesla Model S en potencodenseco, kaj, ĉe 15 mikrometroj, eklipsi ĝin.

Malaltigi la aktuariojn estas nur unu parto de la ekvacio. La alia aspekto, pri kiu la teamo aktive laboras, estas 3-D-integriĝo. Ĝuste nun, ununura aktuario estas dutavola sistemo, pli maldika ol plasta sako kaj ankaŭ fleksebla kiel unu. Ili volas stakigi la aktuariojn en eŝafod-simila sistemo, kiu povas moviĝi en tri dimensioj.

Kedzierski antaŭvidas tian sistemon imitantan niajn korpojn’ muskola matrico, la reto de histoj kiuj permesas niajn muskolojn atingi tujan, potenca, kaj fleksebla moviĝo. Dekoble pli potenca ol muskolo, la aktuarioj estis inspiritaj per muskolo laŭ multaj manieroj, de ilia fleksebleco kaj malpezeco ĝis ilia konsisto de fluidaj kaj solidaj komponantoj.

Kaj same kiel muskolo estas bonega aktuario je la skalo de formiko aŭ elefanto, ĉi tiuj mikrohidraŭlikaj aktuarioj, ankaŭ, povus havi potencan efikon ne nur je la mikroskalo, sed ĉe la makroo.

“Oni povus imagi,” diris Eric Holihan, kiu kunmetis kaj elprovis la aktuariojn, “la teknologio aplikata al eksterskeletoj,” konstruita kun la aktuarioj laborantaj kiel tre simila muskolo, agordita en flekseblajn juntojn anstataŭ dentaĵoj. Aŭ aviadilo flugilo povus formoŝanĝi sur elektra komando, kun miloj da aktuarioj glitante preter unu la alian por ŝanĝi la aerdinamikan formon de la flugilo.

Dum iliaj imagoj konfuziĝas, la teamo alfrontas defiojn en evoluigado de grandaj sistemoj de la aktuarioj. Unu defio estas kiel distribui potencon je tiu volumeno. Paralela klopodo ĉe la laboratorio, kiu disvolvas mikrobateriojn por integriĝi kun la aktuarioj, povus helpi solvi tiun problemon. Alia defio estas kiel paki la aktuariojn tiel ke vaporiĝo estas eliminita.

“Fidindeco kaj pakado daŭre estos la superregaj demandoj faritaj al ni pri la teknologio ĝis ni pruvos solvon,” diris Holihan. “Ĉi tio estas io, kion ni serĉas ataki rekte en la venontaj monatoj.”

Fonto: http://novaĵoj.mit.edu, de Kylie Foy