Utilizzo di elettricità e acqua, un nuovo tipo di motore può far muovere i microrobot

Guardati intorno e probabilmente vedrai qualcosa che funziona con un motore elettrico. Attuatori microidraulici, più sottile di un terzo della larghezza dei capelli umani, stanno dimostrando di essere i motori più potenti ed efficienti su microscala. Potente ed efficiente, tengono in movimento gran parte del nostro mondo, tutto, dai nostri computer ai frigoriferi ai finestrini automatici delle nostre auto. Ma queste qualità cambiano in peggio quando tali motori vengono ridotti a dimensioni inferiori a un centimetro cubo.

Le gocce d'acqua vengono inserite nell'attuatore microidraulico, che ruota quando viene applicata tensione agli elettrodi che tirano le goccioline in una direzione. Il diametro interno di questo attuatore a forma di disco è 5 millimetri.

Foto: Glen Cooper

“A scale molto piccole, ottieni un riscaldatore invece di un motore,” disse Jakub Kedzierski, personale del Lincoln Laboratory del MIT Chimico, Microsistemi, e il gruppo di tecnologie su nanoscala. Oggi, non esiste un motore che sia altamente efficiente e potente alle microdimensioni. E questo è un problema, perché i motori su quella scala sono necessari per mettere in moto i sistemi miniaturizzati: microgimbal che possono puntare i laser a una frazione di grado su migliaia di miglia, minuscoli droni che possono infilarsi nei rottami per trovare sopravvissuti, o persino robot che possono strisciare attraverso il tratto digestivo umano.

Per aiutare sistemi di alimentazione come questi, Kedzierski e il suo team stanno realizzando un nuovo tipo di motore chiamato attuatore microidraulico. Gli attuatori si muovono con un livello di precisione, efficienza, e potere che non è stato ancora possibile su microscala. Un documento che descriveva questo lavoro era pubblicato nel settembre 2018 problema di Robotica scientifica.

Gli attuatori microidraulici utilizzano una tecnica chiamata elettrowetting per ottenere il movimento. L'elettrobagnatura applica una tensione elettrica alle gocce d'acqua su una superficie solida per distorcere la tensione superficiale del liquido. Gli attuatori sfruttano questa distorsione per forzare il movimento delle gocce d'acqua all'interno dell'attuatore, e con loro, l'intero attuatore.

“Pensa a una goccia d'acqua su una finestra; la forza di gravità lo distorce, e scende,” disse Kedzierski. “Qui, usiamo la tensione per causare la distorsione, che a sua volta produce movimento.”

L'attuatore è costruito in due strati. Lo strato inferiore è un foglio di metallo con elettrodi stampati su di esso. Questo strato è ricoperto da un dielettrico, un isolante che diventa polarizzato quando viene applicato un campo elettrico. Lo strato superiore è un foglio di poliimmide, una plastica resistente, che ha canali poco profondi perforati in esso. I canali guidano il percorso di decine di gocce d'acqua che vengono applicate tra i due strati e sono allineate con gli elettrodi. Per trattenere l'evaporazione, l'acqua viene premiscelata con una soluzione di cloruro di litio, che abbassa la pressione del vapore dell'acqua abbastanza da far durare per mesi le goccioline di dimensioni micrometriche. Le goccioline mantengono la loro forma arrotondata (invece di essere schiacciato tra gli strati) a causa della loro tensione superficiale e delle dimensioni relativamente ridotte.

L'attuatore prende vita quando viene applicata tensione agli elettrodi, anche se non a tutti in una volta. Viene eseguito in un ciclo di accensione di due elettrodi per gocciolina alla volta. Senza tensione, una singola goccia d'acqua poggia in posizione neutra su due elettrodi, 1 e 2. Ma applica una tensione agli elettrodi 2 e 3, e improvvisamente la gocciolina si deforma, allungandosi per toccare l'elettrodo eccitato 3 e tirando fuori dell'elettrodo 1.

Questa forza orizzontale in una goccia non è sufficiente per muovere l'attuatore. Ma con questo ciclo di tensione applicato all'unisono agli elettrodi sotto ogni goccia dell'array, l'intero strato di poliimmide scorre per placare l'attrazione delle gocce verso gli elettrodi eccitati. Continua a far scorrere la tensione, e le goccioline continuano a camminare sugli elettrodi e lo strato continua a scivolare; togliere la tensione, e l'attuatore si ferma sui suoi binari. La tensione, poi, diventa un potente strumento per controllare con precisione il movimento dell'attuatore.

Ma come regge l'attuatore rispetto ad altri tipi di motori? Le due metriche per misurare le prestazioni sono la densità di potenza, o la quantità di potenza che il motore produce in relazione al suo peso, Accesso all'istruzione in Bhutan, o la misura dell'energia sprecata. Uno dei migliori motori elettrici in termini di efficienza e densità di potenza è il motore della berlina Tesla Model S. Quando il team ha testato gli attuatori microidraulici, li hanno trovati appena dietro la densità di potenza della Model S (a 0.93 kilowatt per chilogrammo) e resa di efficienza (a 60 percentuale di efficienza alla massima densità di potenza). Hanno ampiamente superato gli attuatori piezoelettrici e altri tipi di microattuatori.

“Siamo entusiasti perché stiamo raggiungendo quel punto di riferimento, e stiamo ancora migliorando man mano che passiamo a dimensioni più piccole,” Kedzierski ha detto. Gli attuatori migliorano con dimensioni più piccole perché la tensione superficiale rimane la stessa indipendentemente dalla dimensione della goccia d'acqua e le gocce più piccole fanno spazio a un numero ancora maggiore di gocce per entrare ed esercitare la loro forza orizzontale sull'attuatore. “La densità di potenza aumenta. È come avere una corda la cui forza non si indebolisce man mano che si assottiglia,” Ha aggiunto.

L'ultimo attuatore, quello vicino alla Model S, ha avuto una separazione di 48 micrometri tra le goccioline. Il team ora lo sta riducendo a 30 micrometri. Lo proiettano, a quella scala, l'attuatore corrisponderà alla Tesla Model S in termini di densità di potenza, e, a 15 micrometri, eclissarlo.

Ridimensionare gli attuatori è solo una parte dell'equazione. L'altro aspetto su cui il team sta lavorando attivamente è l'integrazione 3D. Proprio adesso, un singolo attuatore è un sistema a due strati, più sottile di un sacchetto di plastica e flessibile come uno. Vogliono impilare gli attuatori in un sistema simile a un'impalcatura che può muoversi in tre dimensioni.

Kedzierski immagina un tale sistema che imita i nostri corpi’ matrice muscolare, la rete di tessuti che consentono ai nostri muscoli di ottenere risultati istantanei, potente, e movimento flessibile. Dieci volte più potente del muscolo, gli attuatori sono stati ispirati dai muscoli in molti modi, dalla loro flessibilità e leggerezza alla loro composizione di componenti fluidi e solidi.

E proprio come il muscolo è un eccellente attuatore alla scala di una formica o di un elefante, questi attuatori microidraulici, pure, potrebbe avere un forte impatto non solo su microscala, ma alla macro.

“Si potrebbe immaginare,” disse Eric Holihan, che ha assemblato e testato gli attuatori, “la tecnologia applicata agli esoscheletri,” costruito con gli attuatori che funzionano come muscoli realistici, configurato in giunti flessibili invece che in ingranaggi. Oppure un'ala di un aereo potrebbe cambiare forma su comando elettrico, con migliaia di attuatori che scorrono l'uno sull'altro per modificare la forma aerodinamica dell'ala.

Mentre la loro immaginazione è in fermento, il team deve affrontare sfide nello sviluppo di grandi sistemi di attuatori. Una sfida è come distribuire l'energia a quel volume. Uno sforzo parallelo presso il laboratorio che sta sviluppando microbatterie da integrare con gli attuatori potrebbe aiutare a risolvere questo problema. Un'altra sfida è come confezionare gli attuatori in modo da eliminare l'evaporazione.

“L'affidabilità e l'imballaggio continueranno a essere le domande predominanti che ci vengono poste sulla tecnologia fino a quando non dimostreremo una soluzione,” disse Holihan. “Questo è qualcosa che cerchiamo di attaccare frontalmente nei prossimi mesi.”

fonte: http://news.mit.edu, di Kylie Foy