Elektriciteit en water gebruiken, een nieuw soort motor kan microrobots in beweging te schuiven

Kijk om je heen en je zult waarschijnlijk iets dat draait op een elektrische motor. Microhydraulic actuators, dunner dan een derde van de breedte van mensenhaar, blijken te zijn de meest krachtige en efficiënte motoren op de microschaal zijn. Krachtig en efficiënt, ze houden veel van onze wereld bewegen, alles van onze computers tot koelkasten om de automatische ramen in onze auto's. Maar deze eigenschappen veranderen ten kwade wanneer dergelijke motoren worden verkleind tot afmetingen kleiner dan een kubieke centimeter.

Waterdruppels worden in de microhydraulische actuator ingebracht, die roteert wanneer spanning wordt toegepast op elektroden die de druppels in één richting trekken. De binnendiameter van deze schijfvormige actuator is: 5 millimeter.

Foto: Glen Cooper

“Op zeer kleine schaal, je krijgt een verwarming in plaats van een motor,” zei Jakub Kedzierski, personeel in MIT Lincoln Laboratory's Chemisch, microsysteem, en Nanoscale Technologies Group. Vandaag, er bestaat geen motor die zowel zeer efficiënt als krachtig is op microformaat. En dat is een probleem, omdat motoren op die schaal nodig zijn om geminiaturiseerde systemen in beweging te brengen - microgimbals die lasers tot een fractie van een graad over duizenden mijlen kunnen richten, kleine drones die zich in wrakstukken kunnen wringen om overlevenden te vinden, of zelfs bots die door het menselijke spijsverteringskanaal kunnen kruipen.

Om energiesystemen zoals deze te helpen, Kedzierski en zijn team maken een nieuw type motor, een microhydraulische actuator. De actuatoren bewegen met een niveau van precisie, rendement, en kracht die op microschaal nog niet mogelijk was. Een paper waarin dit werk werd beschreven, was: gepubliceerd in september 2018 kwestie van Science Robotics.

De microhydraulische actuatoren gebruiken een techniek genaamd electrowetting om beweging te bereiken. Electrowetting past een elektrische spanning toe op waterdruppels op een vast oppervlak om de oppervlaktespanning van de vloeistof te verstoren. De actuatoren maken gebruik van deze vervorming om waterdruppels in de actuator te laten bewegen, en met hen, de hele actuator.

“Denk aan een druppel water op een raam; de zwaartekracht vervormt het, en het beweegt naar beneden,” zei Kedzierski. “Hier, we gebruiken spanning om de vervorming te veroorzaken;, die op zijn beurt beweging voortbrengt.”

De actuator is opgebouwd uit twee lagen. De onderste laag is een metalen plaat met daarin gestempelde elektroden. Deze laag is bedekt met een diëlektricum, een isolator die wordt gepolariseerd wanneer een elektrisch veld wordt aangelegd. De bovenste laag is een vel polyimide, een sterk plastic, waarin ondiepe kanalen zijn geboord. De kanalen leiden het pad van tientallen waterdruppeltjes die worden aangebracht tussen de twee lagen en zijn uitgelijnd met de elektroden. Verdamping afhouden, het water wordt voorgemengd met een oplossing van lithiumchloride, die drukt dampdruk van het water voldoende voor het micrometer druppeltjes maanden duren. De druppels houden hun ronde vorm (in plaats van geplet tussen de lagen) vanwege de oppervlaktespanning en relatief kleine omvang.

De actuator komt tot leven wanneer er spanning op de elektroden wordt gezet, hoewel niet allemaal tegelijk. Het wordt gedaan in een cyclus waarbij twee elektroden per druppel tegelijk worden ingeschakeld. Zonder spanning, een enkele waterdruppel rust neutraal op twee elektroden, 1 en 2. Maar breng een spanning aan op elektroden 2 en 3, en plotseling is de druppel vervormd, uitrekken om de geactiveerde elektrode aan te raken 3 en aftrekken van elektrode 1.

Deze horizontale kracht in één druppel is niet genoeg om de actuator te bewegen. Maar met deze spanningscyclus die tegelijk wordt toegepast op de elektroden onder elke druppel in de array, de hele polyimidelaag schuift over om de aantrekkingskracht van de druppels op de geactiveerde elektroden te sussen. Blijf de spanning doorlopen, en druppeltjes blijven over de elektroden lopen en de laag blijft glijden; zet de spanning uit, en de actuator stopt in zijn sporen. de spanning, dan, wordt een krachtig hulpmiddel om de beweging van de actuator nauwkeurig te regelen.

Maar hoe is de actuator bestand tegen andere typen motoren?? De twee statistieken om de prestaties te meten zijn vermogensdichtheid, of de hoeveelheid vermogen die de motor produceert in verhouding tot zijn gewicht, en efficiëntie, of de maatstaf voor verspilde energie. Een van de beste elektromotoren in termen van efficiëntie en vermogensdichtheid is de motor van de Tesla Model S-sedan. Toen het team de microhydraulische aandrijvingen testte, ze vonden dat ze net achter de vermogensdichtheid van de Model S zaten (Bij 0.93 kilowatt per kilogram) en efficiëntie-output (Bij 60 procent efficiënt bij maximale vermogensdichtheid). Ze overtroffen ruimschoots piëzo-elektrische actuatoren en andere soorten microactuators.

“We zijn enthousiast omdat we aan die benchmark voldoen, en we verbeteren nog steeds terwijl we opschalen naar kleinere maten,” Kedzierski zei:. De actuatoren verbeteren bij kleinere afmetingen omdat de oppervlaktespanning hetzelfde blijft, ongeacht de grootte van de waterdruppels - en kleinere druppels maken ruimte voor nog meer druppels om in te knijpen en hun horizontale kracht op de actuator uit te oefenen. “Vermogensdichtheid schiet gewoon omhoog. Het is alsof je een touw hebt waarvan de kracht niet verzwakt naarmate het dunner wordt,” hij voegde toe.

De nieuwste actuator, degene die dicht bij de Model S . komt, had een scheiding van 48 micrometer tussen druppeltjes. Het team verkleint dat nu tot 30 micrometer. Ze projecteren dat, op die schaal, de actuator komt overeen met de Tesla Model S in vermogensdichtheid, en, Bij 15 micrometer, verduister het.

Het verkleinen van de actuatoren is slechts een deel van de vergelijking. Het andere aspect waar het team actief aan werkt, is 3D-integratie. Nu, een enkele actuator is een systeem met twee lagen, dunner dan een plastic zak en ook zo flexibel. Ze willen de actuatoren stapelen in een steigerachtig systeem dat driedimensionaal kan bewegen.

Kedzierski stelt zich een dergelijk systeem voor dat ons lichaam nabootst’ spiermatrix, het netwerk van weefsels waarmee onze spieren onmiddellijk kunnen bereiken, krachtig, en flexibele beweging. Tien keer krachtiger dan spieren, de actuatoren zijn op veel manieren geïnspireerd door spieren, van hun flexibiliteit en lichtheid tot hun samenstelling van vloeibare en vaste componenten.

En net zoals spieren een uitstekende actuator zijn op de schaal van een mier of een olifant, deze microhydraulische aandrijvingen, te, kan een krachtige impact hebben, niet alleen op microschaal, maar op de macro.

“Je zou je kunnen voorstellen,” zei Eric Holihan, wie heeft de actuatoren geassembleerd en getest?, “de technologie die wordt toegepast op exoskeletten,” gebouwd met de actuatoren die werken als levensechte spieren, geconfigureerd in flexibele verbindingen in plaats van tandwielen. Of een vliegtuigvleugel kan op elektrisch commando van gedaante veranderen, met duizenden actuatoren die langs elkaar schuiven om de aerodynamische vorm van de vleugel te veranderen.

Terwijl hun fantasie aan het karnen is, het team staat voor uitdagingen bij het ontwikkelen van grote systemen van de actuatoren. Een uitdaging is hoe de stroom op dat volume te verdelen. Een parallelle inspanning in het laboratorium dat microbatterijen ontwikkelt om met de actuatoren te integreren, zou dat probleem kunnen helpen oplossen. Een andere uitdaging is hoe de actuatoren moeten worden verpakt zodat verdamping wordt geëlimineerd.

“Betrouwbaarheid en verpakking blijven de belangrijkste vragen die ons over de technologie worden gesteld totdat we een oplossing demonstreren,” zei Holihan. “Dit is iets dat we de komende maanden willen aanpakken.”

Bron: http://news.mit.edu, door Kylie Foy