Usando electricidad y agua, un nuevo tipo de motor puede deslizar microrobots en movimiento

Mire a su alrededor y probablemente verá algo que funciona con un motor eléctrico.. Actuadores microhidráulicos, más delgado que un tercio del ancho del cabello humano, están demostrando ser los motores más potentes y eficientes a microescala. Potente y eficiente, mantienen gran parte de nuestro mundo en movimiento, todo, desde nuestras computadoras hasta refrigeradores y las ventanas automáticas de nuestros automóviles. Pero estas cualidades empeoran cuando dichos motores se reducen a tamaños más pequeños que un centímetro cúbico..

Se insertan gotas de agua en el actuador microhidráulico, que gira cuando se aplica voltaje a los electrodos que tiran de las gotas en una dirección. El diámetro interior de este actuador en forma de disco es 5 milimetros.

Foto: Glen Cooper

“A escalas muy pequeñas, obtienes un calentador en lugar de un motor,” dijo Jakub Kedzierski, personal del Laboratorio Lincoln del MIT Químico, Microsistema, y Grupo de Tecnologías a Nanoescala. Hoy, no existe un motor que sea a la vez altamente eficiente y potente en micros tamaños. Y eso es un problema, porque se necesitan motores en esa escala para poner en movimiento sistemas miniaturizados: microgimales que pueden apuntar láseres a una fracción de grado a lo largo de miles de millas, diminutos drones que pueden meterse en los escombros para encontrar supervivientes, o incluso bots que pueden arrastrarse por el tracto digestivo humano.

Para ayudar a sistemas de energía como estos, Kedzierski y su equipo están fabricando un nuevo tipo de motor llamado actuador microhidráulico. Los actuadores se mueven con un nivel de precisión, eficiencia, y potencia que aún no ha sido posible a microescala. Un artículo que describe este trabajo fue publicado en septiembre 2018 problema de Ciencia Robótica.

Los actuadores microhidráulicos utilizan una técnica llamada electrohumectación para lograr el movimiento.. La electrohumectación aplica un voltaje eléctrico a las gotas de agua sobre una superficie sólida para distorsionar la tensión superficial del líquido.. Los actuadores aprovechan esta distorsión para forzar el movimiento de las gotas de agua dentro del actuador., y con ellos, todo el actuador.

“Piense en una gota de agua en una ventana.; la fuerza de la gravedad lo distorsiona, y se mueve hacia abajo,” dijo Kedzierski. “aquí, usamos voltaje para causar la distorsión, que a su vez produce movimiento.”

El actuador está construido en dos capas.. La capa inferior es una hoja de metal con electrodos estampados en ella.. Esta capa está cubierta con un dieléctrico., un aislante que se polariza cuando se aplica un campo eléctrico. La capa superior es una hoja de poliimida., un plástico fuerte, que tiene canales poco profundos perforados. Los canales guían el camino de decenas de gotas de agua que se aplican entre las dos capas y se alinean con los electrodos.. Para contener la evaporación, el agua se premezcla con una solución de cloruro de litio, que deprime la presión de vapor del agua lo suficiente como para que las gotas del tamaño de un micrómetro duren meses. Las gotas mantienen su forma redondeada. (en lugar de aplastarse entre las capas) debido a su tensión superficial y tamaño relativamente pequeño.

El actuador cobra vida cuando se aplica voltaje a los electrodos, aunque no a todos a la vez. Se hace en un ciclo de encender dos electrodos por gota a la vez. Sin voltaje, una sola gota de agua descansa neutralmente sobre dos electrodos, 1 y 2. Pero aplique un voltaje a los electrodos 2 y 3, y de repente la gotita se deforma, estirar para tocar el electrodo energizado 3 y tirando del electrodo 1.

Esta fuerza horizontal en una gota no es suficiente para mover el actuador. Pero con este ciclo de voltaje aplicado al unísono a los electrodos debajo de cada gota en la matriz, toda la capa de poliimida se desliza para apaciguar la atracción de las gotas hacia los electrodos energizados. Sigue ciclando el voltaje a través, y las gotas continúan caminando sobre los electrodos y la capa continúa deslizándose sobre; apaga el voltaje, y el actuador se detiene en seco. El voltaje, luego, se convierte en una herramienta poderosa para controlar con precisión el movimiento del actuador.

Pero, ¿cómo se enfrenta el actuador a otros tipos de motores?? Las dos métricas para medir el rendimiento son la densidad de potencia, o la cantidad de potencia que produce el motor en relación con su peso, y la eficiencia, o la medida de la energía desperdiciada. Uno de los mejores motores eléctricos en términos de eficiencia y densidad de potencia es el motor del sedán Tesla Model S. Cuando el equipo probó los actuadores microhidráulicos, encontraron que estaban justo detrás de la densidad de potencia del Model S (a 0.93 kilovatio por kilogramo) y salida de eficiencia (a 60 por ciento eficiente en la densidad de potencia máxima). Ellos superaron ampliamente actuadores piezoeléctricos y otros tipos de micro actuadores.

“Estamos emocionados porque estamos cumpliendo con ese punto de referencia, y todavía estamos mejorando a medida que escalan a tamaños más pequeños,” Kedzierski dijo. Los actuadores mejorar en tamaños más pequeños debido a la tensión superficial sigue siendo el mismo, independientemente del tamaño de las gotas de agua - y gotas más pequeñas hacen espacio para aún más gotas de exprimir y ejercen su fuerza horizontal sobre el actuador. “La densidad de potencia solo se dispara. Es como tener una cuerda cuya fuerza no se debilita a medida que se adelgaza,” agregó.

El último actuador, el que está cerca del Model S, tuvo una separación de 48 micrómetros entre gotitas. El equipo ahora lo está reduciendo a 30 micrómetros. Ellos proyectan que, a esa escala, el actuador coincidirá con el Tesla Model S en densidad de potencia, y, a 15 micrómetros, eclipsarlo.

Reducir la escala de los actuadores es solo una parte de la ecuación. El otro aspecto en el que el equipo está trabajando activamente es la integración 3-D. Ahora mismo, un solo actuador es un sistema de dos capas, más delgada que una bolsa de plástico y flexible como una también. Quieren apilar los actuadores en un sistema similar a un andamio que se pueda mover en tres dimensiones..

Kedzierski imagina un sistema de este tipo imitando nuestros cuerpos’ matriz muscular, la red de tejidos que permiten a nuestros músculos lograr instantáneamente, poderoso, y movimiento flexible. Diez veces más potente que el músculo, los actuadores se inspiraron en los músculos de muchas maneras, desde su flexibilidad y ligereza hasta su composición de componentes fluidos y sólidos.

Y así como el músculo es un excelente actuador a la escala de una hormiga o un elefante., estos actuadores microhidráulicos, también, podría tener un impacto poderoso no solo a microescala, pero en la macro.

“Uno podría imaginar,” dijo Eric Holihan, quién ha estado ensamblando y probando los actuadores, “la tecnología que se aplica a los exoesqueletos,” construido con los actuadores funcionando como un músculo realista, configurado en juntas flexibles en lugar de engranajes. O el ala de un avión podría cambiar de forma por comando eléctrico, con miles de actuadores deslizándose uno al lado del otro para cambiar la forma aerodinámica del ala.

Mientras su imaginación se agita, el equipo se enfrenta a desafíos en el desarrollo de grandes sistemas de actuadores. Un desafío es cómo distribuir la energía a ese volumen.. Un esfuerzo paralelo en el laboratorio que está desarrollando microbaterías para integrarse con los actuadores podría ayudar a resolver ese problema.. Otro desafío es cómo empaquetar los actuadores para eliminar la evaporación..

“La confiabilidad y el empaque continuarán siendo las preguntas predominantes que se nos planteen sobre la tecnología hasta que demostremos una solución.,” dijo Holihan. “Esto es algo que esperamos atacar de frente en los próximos meses.”

Fuente: http://news.mit.edu, por Kylie Foy