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बिजली और पानी का उपयोग, एक नई तरह की मोटर माइक्रोरोबोट्स को गति में स्लाइड कर सकती है

चारों ओर देखें और आपको कुछ ऐसा दिखाई देगा जो इलेक्ट्रिक मोटर पर चलता है. माइक्रोहाइड्रोलिक एक्चुएटर्स, मानव बाल की चौड़ाई की एक तिहाई से भी पतली, सूक्ष्म पैमाने पर सबसे शक्तिशाली और कुशल मोटर साबित हो रहे हैं. शक्तिशाली और कुशल, वे हमारी अधिकांश दुनिया को गतिमान रखते हैं, हमारे कंप्यूटर से लेकर रेफ्रिजरेटर तक हमारी कारों में स्वचालित खिड़कियों तक सब कुछ. लेकिन ये गुण बदतर के लिए बदल जाते हैं जब ऐसी मोटरों को एक घन सेंटीमीटर से छोटे आकार में छोटा कर दिया जाता है.

पानी की बूंदों को माइक्रोहाइड्रोलिक एक्ट्यूएटर में डाला जाता है, जो तब घूमता है जब वोल्टेज को इलेक्ट्रोड पर लागू किया जाता है जो बूंदों को एक दिशा में खींचता है. इस डिस्क के आकार के एक्चुएटर का आंतरिक व्यास है 5 मिलीमीटर.
तस्वीर: ग्लेन कूपर

“बहुत छोटे पैमाने पर, आपको मोटर की जगह हीटर मिलता है,” कहा जैकब केडज़िएर्स्की, एमआईटी लिंकन प्रयोगशाला के कर्मचारी रासायनिक, माइक्रोसिस्टम, और नैनोस्केल टेक्नोलॉजीज समूह. आज, कोई भी मोटर मौजूद नहीं है जो सूक्ष्म आकार में अत्यधिक कुशल और शक्तिशाली दोनों हो. और यह एक समस्या है, क्योंकि उस पैमाने पर मोटरों को लघुकृत प्रणालियों को गति में रखने की आवश्यकता होती है - माइक्रोगिंबल्स जो लेज़रों को हजारों मील से अधिक की डिग्री के अंश तक इंगित कर सकते हैं, छोटे ड्रोन जो बचे हुए लोगों को खोजने के लिए मलबे में दब सकते हैं, या यहां तक ​​कि बॉट्स जो मानव पाचन तंत्र के माध्यम से क्रॉल कर सकते हैं.

इस तरह की बिजली प्रणालियों की मदद करने के लिए, Kedzierski और उनकी टीम एक नई प्रकार की मोटर बना रही है जिसे माइक्रोहाइड्रोलिक एक्चुएटर कहा जाता है. एक्चुएटर्स सटीकता के स्तर के साथ चलते हैं, दक्षता, और शक्ति जो अभी तक सूक्ष्म स्तर पर संभव नहीं हुई है. इस काम का वर्णन करने वाला एक पेपर था सितंबर में प्रकाशित 2018 मुद्दा का विज्ञान रोबोटिक्स.

माइक्रोहाइड्रोलिक एक्ट्यूएटर गति प्राप्त करने के लिए इलेक्ट्रोवेटिंग नामक तकनीक का उपयोग करते हैं. इलेक्ट्रोवेटिंग तरल की सतह के तनाव को विकृत करने के लिए एक ठोस सतह पर पानी की बूंदों पर एक विद्युत वोल्टेज लागू करता है. एक्ट्यूएटर के अंदर पानी की बूंदों को स्थानांतरित करने के लिए मजबूर करने के लिए एक्ट्यूएटर इस विकृति का लाभ उठाते हैं, और उनके साथ, संपूर्ण एक्चुएटर.

“खिड़की पर पानी की एक बूंद के बारे में सोचो; गुरुत्वाकर्षण बल इसे विकृत करता है, और यह नीचे चला जाता है,” केडज़िएर्स्की ने कहा. “यहाँ, हम विरूपण का कारण बनने के लिए वोल्टेज का उपयोग करते हैं, जो बदले में गति पैदा करता है।”

एक्चुएटर दो परतों में बनाया गया है. नीचे की परत धातु की एक शीट है जिसमें इलेक्ट्रोड की मुहर लगी होती है. यह परत एक ढांकता हुआ के साथ कवर किया गया है, एक इन्सुलेटर जो विद्युत क्षेत्र लागू होने पर ध्रुवीकृत हो जाता है. शीर्ष परत पॉलीमाइड की एक शीट है, एक मजबूत प्लास्टिक, जिसमें उथले चैनल ड्रिल किए गए हैं. चैनल दर्जनों पानी की बूंदों के मार्ग का मार्गदर्शन करते हैं जो दो परतों के बीच में लागू होते हैं और इलेक्ट्रोड के साथ संरेखित होते हैं. वाष्पीकरण को रोकने के लिए, लिथियम क्लोराइड के घोल के साथ पानी को प्रीमिक्स किया जाता है, जो माइक्रोमीटर के आकार की बूंदों के महीनों तक चलने के लिए पानी के वाष्प दबाव को पर्याप्त रूप से कम कर देता है. बूँदें अपना गोल आकार रखती हैं (परतों के बीच कुचलने के बजाय) उनके पृष्ठ तनाव और अपेक्षाकृत छोटे आकार के कारण.

जब इलेक्ट्रोड पर वोल्टेज लगाया जाता है तो एक्ट्यूएटर जीवन में आता है, हालांकि उन सभी के लिए एक बार में नहीं. यह एक बार में दो इलेक्ट्रोड प्रति बूंद को चालू करने के चक्र में किया जाता है. बिना वोल्टेज के, एक एकल पानी की बूंद दो इलेक्ट्रोड पर तटस्थ रूप से टिकी हुई है, 1 तथा 2. लेकिन इलेक्ट्रोड पर वोल्टेज लागू करें 2 तथा 3, और अचानक छोटी बूंद विकृत हो जाती है, सक्रिय इलेक्ट्रोड को छूने के लिए खींचना 3 और इलेक्ट्रोड को खींचना 1.

एक छोटी बूंद में यह क्षैतिज बल एक्चुएटर को स्थानांतरित करने के लिए पर्याप्त नहीं है. लेकिन इस वोल्टेज चक्र के साथ सरणी में हर बूंद के नीचे इलेक्ट्रोड के लिए एकसमान रूप से लागू किया जा रहा है, सक्रिय इलेक्ट्रोड के लिए बूंदों के आकर्षण को खुश करने के लिए पूरी पॉलीमाइड परत स्लाइड करती है. वोल्टेज के माध्यम से साइकिल चलाना जारी रखें, और बूंदें इलेक्ट्रोड के ऊपर से चलती रहती हैं और परत ऊपर खिसकती रहती है; वोल्टेज बंद करें, और एक्ट्यूएटर अपने ट्रैक में रुक जाता है. वोल्टेज, फिर, एक्चुएटर की गति को सटीक रूप से नियंत्रित करने के लिए एक शक्तिशाली उपकरण बन जाता है.

लेकिन एक्ट्यूएटर अन्य प्रकार की मोटरों के खिलाफ कैसे खड़ा होता है?? प्रदर्शन को मापने के लिए दो मेट्रिक्स शक्ति घनत्व हैं, या मोटर अपने वजन के संबंध में कितनी शक्ति का उत्पादन करता है, और दक्षता, या व्यर्थ ऊर्जा का माप. दक्षता और शक्ति घनत्व के मामले में सर्वश्रेष्ठ इलेक्ट्रिक मोटरों में से एक टेस्ला मॉडल एस सेडान की मोटर है. जब टीम ने माइक्रोहाइड्रोलिक एक्ट्यूएटर्स का परीक्षण किया, उन्होंने पाया कि वे मॉडल S के शक्ति घनत्व के ठीक पीछे हैं (पर 0.93 किलोवाट प्रति किलोग्राम) और दक्षता उत्पादन (पर 60 अधिकतम शक्ति घनत्व पर प्रतिशत कुशल). वे व्यापक रूप से पीजोइलेक्ट्रिक एक्चुएटर्स और अन्य प्रकार के माइक्रोएक्ट्यूएटर्स से आगे निकल गए.

“हम उत्साहित हैं क्योंकि हम उस बेंचमार्क को पूरा कर रहे हैं, और हम अभी भी सुधार कर रहे हैं क्योंकि हम छोटे आकार में स्केल करते हैं,” केडज़िएर्स्की ने कहा. एक्ट्यूएटर्स छोटे आकार में सुधार करते हैं क्योंकि पानी की बूंदों के आकार की परवाह किए बिना सतह का तनाव समान रहता है - और छोटी बूंदें और भी बूंदों के लिए जगह बनाती हैं और एक्ट्यूएटर पर अपने क्षैतिज बल को निचोड़ने के लिए जगह बनाती हैं।. “बिजली घनत्व बस ऊपर गोली मारता है. यह एक रस्सी की तरह है जिसकी ताकत पतली होने के साथ कमजोर नहीं होती है,” उसने जोड़ा.

नवीनतम एक्चुएटर, मॉडल एस के करीब एक किनारा, का अलगाव था 48 बूंदों के बीच माइक्रोमीटर. टीम अब इसे कम कर रही है 30 माइक्रोमीटर. वे प्रोजेक्ट करते हैं कि, उस पैमाने पर, एक्चुएटर बिजली घनत्व में टेस्ला मॉडल एस से मेल खाएगा, तथा, पर 15 माइक्रोमीटर, इसे ग्रहण करें.

एक्ट्यूएटर्स को छोटा करना समीकरण का सिर्फ एक हिस्सा है. दूसरा पहलू जिस पर टीम सक्रिय रूप से काम कर रही है वह है 3-डी एकीकरण. अभी, एक एकल एक्ट्यूएटर एक दो-परत प्रणाली है, प्लास्टिक बैग की तुलना में पतला और एक जैसा लचीला भी. वे एक्ट्यूएटर्स को एक मचान जैसी प्रणाली में ढेर करना चाहते हैं जो तीन आयामों में स्थानांतरित हो सके.

Kedzierski हमारे शरीर की नकल करने वाली ऐसी प्रणाली की कल्पना करता है’ मांसपेशी मैट्रिक्स, ऊतकों का नेटवर्क जो हमारी मांसपेशियों को तत्काल प्राप्त करने की अनुमति देता है, शक्तिशाली, और लचीली गति. पेशी से दस गुना अधिक शक्तिशाली, एक्ट्यूएटर्स कई तरह से पेशी से प्रेरित थे, उनके लचीलेपन और हल्केपन से लेकर द्रव और ठोस घटकों की उनकी संरचना तक.

और जिस तरह पेशी चींटी या हाथी के पैमाने पर एक उत्कृष्ट उत्प्रेरक है, ये माइक्रोहाइड्रोलिक एक्चुएटर्स, बहुत, सूक्ष्म स्तर पर ही नहीं एक शक्तिशाली प्रभाव हो सकता है, लेकिन मैक्रो . पर.

“कोई कल्पना कर सकता है,” एरिक होलिहान ने कहा, जो एक्ट्यूएटर्स को असेंबल और टेस्ट कर रहा है, “एक्सोस्केलेटन पर लागू होने वाली तकनीक,” सजीव पेशी के रूप में कार्य करने वाले एक्चुएटर्स के साथ निर्मित, गियर के बजाय लचीले जोड़ों में कॉन्फ़िगर किया गया. या एक एयरक्राफ्ट विंग विद्युत कमांड पर आकार बदल सकता है, विंग के वायुगतिकीय रूप को बदलने के लिए हजारों एक्ट्यूएटर एक-दूसरे के पीछे खिसकते हैं.

जबकि उनकी कल्पनाएं मंथन कर रही हैं, टीम को एक्चुएटर्स के बड़े सिस्टम विकसित करने में चुनौतियों का सामना करना पड़ता है. एक चुनौती यह है कि उस मात्रा में बिजली कैसे वितरित की जाए. प्रयोगशाला में एक समानांतर प्रयास जो एक्ट्यूएटर्स के साथ एकीकृत करने के लिए माइक्रोबैटरी विकसित कर रहा है, उस मुद्दे को हल करने में मदद कर सकता है. एक और चुनौती यह है कि एक्चुएटर्स को कैसे पैकेज किया जाए ताकि वाष्पीकरण समाप्त हो जाए.

“विश्वसनीयता और पैकेजिंग तकनीक के बारे में हमारे सामने प्रमुख प्रश्न बने रहेंगे जब तक कि हम समाधान प्रदर्शित नहीं करते,” होलीहान ने कहा. “यह एक ऐसी चीज है जिस पर हम आने वाले महीनों में सीधा हमला करना चाहते हैं।”


स्रोत: एचटीटीपी://news.mit.edu, काइली फोय द्वारा

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