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Utilisation de l'électricité et de l'eau, un nouveau type de moteur peut faire glisser les microrobots en mouvement

Regardez autour de vous et vous verrez probablement quelque chose qui fonctionne avec un moteur électrique. Actionneurs micro-hydrauliques, plus mince qu'un tiers de la largeur des cheveux humains, s'avèrent être les moteurs les plus puissants et les plus efficaces à l'échelle microscopique. Puissant et efficace, ils font bouger une grande partie de notre monde, tout, de nos ordinateurs aux réfrigérateurs en passant par les vitres automatiques de nos voitures. Mais ces qualités changent pour le pire lorsque ces moteurs sont réduits à des tailles inférieures à un centimètre cube.

Des gouttelettes d'eau sont insérées dans l'actionneur microhydraulique, qui tourne lorsqu'une tension est appliquée aux électrodes qui tirent les gouttelettes dans une direction. Le diamètre intérieur de cet actionneur en forme de disque est 5 millimètres.
Photo: Glen Cooper

“A très petite échelle, vous obtenez un chauffage au lieu d'un moteur,” m'a dit Jakub Kedzierski, le personnel du MIT Lincoln Laboratory Chimique, Microsystème, et Groupe des technologies à l'échelle nanométrique. Aujourd'hui, il n'existe pas de moteur à la fois très efficace et puissant à des micro-taille. Et c'est un problème, parce que des moteurs à cette échelle sont nécessaires pour mettre en mouvement des systèmes miniaturisés - des microcardans qui peuvent pointer des lasers à une fraction de degré sur des milliers de kilomètres, de minuscules drones qui peuvent se faufiler dans l'épave pour trouver des survivants, ou même des robots qui peuvent ramper dans le tube digestif humain.

Pour aider les systèmes d'alimentation comme ceux-ci, Kedzierski et son équipe fabriquent un nouveau type de moteur appelé actionneur microhydraulique. Les actionneurs se déplacent avec un niveau de précision, Efficacité, et une puissance qui n'a pas encore été possible à l'échelle microscopique. Un article décrivant ce travail a été publié en septembre 2018 problème de Robotique sciences.

Les actionneurs microhydrauliques utilisent une technique appelée électromouillage pour obtenir un mouvement. L'électromouillage applique une tension électrique aux gouttelettes d'eau sur une surface solide pour déformer la tension superficielle du liquide. Les actionneurs profitent de cette distorsion pour forcer les gouttelettes d'eau à l'intérieur de l'actionneur à se déplacer, et avec eux, l'ensemble de l'actionneur.

“Pensez à une goutte d'eau sur une fenêtre; la force de gravité le déforme, et ça descend,” dit Kedzierski. “Ici, nous utilisons la tension pour provoquer la distorsion, qui à son tour produit le mouvement.”

L'actionneur est construit en deux couches. La couche inférieure est une feuille de métal avec des électrodes estampées dedans. Cette couche est recouverte d'un diélectrique, un isolant qui se polarise lorsqu'un champ électrique est appliqué. La couche supérieure est une feuille de polyimide, un plastique solide, qui a des canaux peu profonds percés dedans. Les canaux guident le chemin de dizaines de gouttelettes d'eau qui sont appliquées entre les deux couches et sont alignées avec les électrodes. Pour empêcher l'évaporation, l'eau est prémélangée avec une solution de chlorure de lithium, qui abaisse suffisamment la pression de vapeur de l'eau pour que les gouttelettes micrométriques durent des mois. Les gouttelettes gardent leur forme arrondie (au lieu d'être écrasé entre les couches) en raison de leur tension superficielle et de leur taille relativement petite.

L'actionneur prend vie lorsque la tension est appliquée aux électrodes, mais pas à tous à la fois. Cela se fait dans un cycle d'allumage de deux électrodes par gouttelette à la fois. Sans tension, une seule goutte d'eau repose de manière neutre sur deux électrodes, 1 et 2. Mais appliquer une tension aux électrodes 2 et 3, et soudain, la goutte est déformée, étirage de toucher l'électrode sous tension 3 et en tirant hors de l'électrode 1.

Cette force horizontale dans une gouttelette ne suffit pas pour déplacer l'actionneur. Mais avec ce cycle de tension appliquée à l'unisson aux électrodes sous chaque goutte dans le tableau, la totalité de la couche de polyimide glisse sur pour apaiser l'attraction des gouttes aux électrodes sous tension. Gardez à vélo la tension à travers, et les gouttelettes continuent de marcher sur les électrodes et la couche continue de glisser sur; couper la tension, et l'actionneur s'arrête net. La tension, puis, devient un outil puissant pour contrôler avec précision le mouvement de l'actionneur.

Mais comment l'actionneur résiste-t-il aux autres types de moteurs? Les deux métriques pour mesurer les performances sont la densité de puissance, ou la quantité de puissance produite par le moteur par rapport à son poids, et l'efficacité, ou la mesure de l'énergie gaspillée. L'un des meilleurs moteurs électriques en termes de densité d'efficacité et de puissance est le moteur de la Tesla modèle de berline. Lorsque l'équipe a testé les actionneurs micro-hydrauliques, ils les trouvaient juste derrière la densité de puissance du modèle S (à 0.93 kilowatt par kilogramme) et la sortie de l'efficacité (à 60 pour cent efficace à une densité de puissance maximale). Ils largement dépassé les actionneurs piézo-électriques et d'autres types de microactionneurs.

“Nous sommes très heureux parce que nous répondons que référence, et nous améliorons encore que nous escaladons à des tailles plus petites,” Kedzierski a dit. Les actionneurs s'améliorent à des tailles plus petites car la tension de surface reste la même quelle que soit la taille des gouttelettes d'eau - et les gouttelettes plus petites laissent de la place à encore plus de gouttelettes pour se presser et exercer leur force horizontale sur l'actionneur. “La densité de puissance monte en flèche. C'est comme avoir une corde dont la résistance ne faiblit pas au fur et à mesure qu'elle s'amincit,” il ajouta.

Le dernier actionneur, celui qui se rapproche de la Model S, eu une séparation de 48 micromètres entre les gouttelettes. L'équipe réduit maintenant cela à 30 micromètres. Ils projettent que, à cette échelle, l'actionneur correspondra au Tesla Model S en densité de puissance, et, à 15 micromètres, l'éclipser.

La réduction de l'échelle des actionneurs n'est qu'une partie de l'équation. L'autre aspect sur lequel l'équipe travaille activement est l'intégration 3D. Maintenant, un seul actionneur est un système à deux couches, plus fin qu'un sac en plastique et flexible comme un aussi. Ils veulent empiler les actionneurs dans un système semblable à un échafaudage qui peut se déplacer en trois dimensions.

Kedzierski envisage un tel système imitant notre corps’ matrice musculaire, le réseau de tissus qui permet à nos muscles d'atteindre instantanément, puissant, et mouvement flexible. Dix fois plus puissant que le muscle, les actionneurs ont été inspirés par le muscle à bien des égards, de leur souplesse et légèreté à leur composition en composants fluides et solides.

Et tout comme le muscle est un excellent actionneur à l'échelle d'une fourmi ou d'un éléphant, ces actionneurs microhydrauliques, aussi, pourrait avoir un impact puissant non seulement à l'échelle microscopique, mais à la macro.

“On pourrait imaginer,” dit Eric Holihan, qui a assemblé et testé les actionneurs, “la technologie appliquée aux exosquelettes,” construit avec les actionneurs fonctionnant comme un muscle réaliste, configuré en joints flexibles au lieu d'engrenages. Ou une aile d'avion pourrait changer de forme sur commande électrique, avec des milliers d'actionneurs glissant les uns sur les autres pour changer la forme aérodynamique de l'aile.

Pendant que leur imagination bouillonne, l'équipe fait face à des défis dans le développement de grands systèmes d'actionneurs. Un défi est de savoir comment distribuer la puissance à ce volume. Un effort parallèle au laboratoire qui développe des microbatteries à intégrer aux actionneurs pourrait aider à résoudre ce problème. Un autre défi est de savoir comment emballer les actionneurs de manière à éliminer l'évaporation.

“La fiabilité et l'emballage continueront d'être les questions prédominantes qui nous sont posées au sujet de la technologie jusqu'à ce que nous démontrions une solution,” dit Holihan. “C'est quelque chose que nous cherchons à attaquer de front dans les mois à venir.”


La source: http://news.mit.edu, par Kylie Foy

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