Registrer deg nå

Logg Inn

Mistet Passord

Mistet passordet ditt? Vennligst skriv inn E-postadressen din. Du vil motta en lenke og opprette et nytt passord via e-post.

Legg til innlegg

Du må logge inn for å legge til innlegget .

Legg til spørsmål

Du må logge inn for å stille et spørsmål.

Logg Inn

Registrer deg nå

Velkommen til Scholarsark.com! Registreringen din gir deg tilgang til å bruke flere funksjoner på denne plattformen. Du kan stille spørsmål, gi bidrag eller gi svar, se profiler til andre brukere og mye mer. Registrer deg nå!

Bruker strøm og vann, en ny type motor kan skyve mikroroboter i bevegelse

Se deg rundt og du vil sannsynligvis se noe som går på en elektrisk motor. Mikrohydrauliske aktuatorer, tynnere enn en tredjedel av bredden på menneskehår, har vist seg å være de kraftigste og mest effektive motorene på mikroskala. Kraftig og effektiv, de holder mye av vår verden i bevegelse, alt fra våre datamaskiner til kjøleskap til de automatiske vinduene i bilene våre. Men disse egenskapene endres til det verre når slike motorer krympes ned til størrelser mindre enn en kubikkcentimeter.

Vanndråper settes inn i den mikrohydrauliske aktuatoren, som roterer når spenning påføres elektroder som trekker dråpene i én retning. Denne skiveformede aktuatorens indre diameter er 5 millimeter.
Foto: Glen Cooper

“I svært små skalaer, du får en varmeovn i stedet for en motor,” sa Jakub Kedzierski, ansatte ved MIT Lincoln Laboratory Kjemisk, Mikrosystemer, og Nanoscale Technologies Group. I dag, Det finnes ingen motor som er både svært effektiv og kraftig i mikrostørrelser. Og det er et problem, fordi motorer i den skalaen er nødvendig for å sette miniatyriserte systemer i bevegelse - mikrogimbals som kan peke lasere til en brøkdel av en grad over tusenvis av miles, bittesmå droner som kan presse seg inn i vraket for å finne overlevende, eller til og med roboter som kan krype gjennom menneskets fordøyelseskanal.

For å hjelpe strømsystemer som disse, Kedzierski og teamet hans lager en ny type motor kalt en mikrohydraulisk aktuator. Aktuatorene beveger seg med et nivå av presisjon, effektivitet, og kraft som ennå ikke har vært mulig på mikroskala. Et papir som beskriver dette arbeidet var publisert i september 2018 ved å be en pasient om å gjennomgå flere MR-skanninger med forskjellige elektriske stimuleringsinnstillinger av Vitenskap Robotikk.

De mikrohydrauliske aktuatorene bruker en teknikk som kalles elektrovæting for å oppnå bevegelse. Electrowetting påfører en elektrisk spenning til vanndråper på en fast overflate for å forvrenge overflatespenningen til væsken. Aktuatorene utnytter denne forvrengningen til å tvinge vanndråper inne i aktuatoren til å bevege seg, og med dem, hele aktuatoren.

“Tenk på en dråpe vann på et vindu; tyngdekraften forvrenger den, og den beveger seg ned,” sa Kedzierski. “Her, vi bruker spenning for å forårsake forvrengningen, som igjen gir bevegelse.”

Aktuatoren er konstruert i to lag. Det nederste laget er et metallark med elektroder stemplet inn. Dette laget er dekket med et dielektrikum, en isolator som blir polarisert når et elektrisk felt påføres. Det øverste laget er et ark av polyimid, en sterk plast, som har grunne kanaler boret inn i seg. Kanalene leder banen til dusinvis av vanndråper som påføres mellom de to lagene og er på linje med elektrodene. For å hindre fordampning, vannet er forhåndsblandet med en løsning av litiumklorid, som senker vannets damptrykk nok til at de mikrometerstore dråpene holder i flere måneder. Dråpene beholder sin avrundede form (i stedet for å bli klemt mellom lagene) på grunn av deres overflatespenning og relativt lille størrelse.

Aktuatoren kommer til liv når spenning påføres elektrodene, men ikke til alle på en gang. Det gjøres i en syklus med å slå på to elektroder per dråpe om gangen. Uten spenning, en enkelt vanndråpe hviler nøytralt på to elektroder, 1 og 2. Men påfør en spenning på elektroder 2 og 3, og plutselig er dråpen deformert, strekk for å berøre den strømførende elektroden 3 og trekke av elektroden 1.

Denne horisontale kraften i en dråpe er ikke nok til å bevege aktuatoren. Men med denne spenningssyklusen som påføres unisont til elektrodene under hver dråpe i matrisen, hele polyimidlaget glir over for å dempe dråpenes tiltrekning til de strømførende elektrodene. Fortsett å sykle spenningen gjennom, og dråper fortsetter å gå over elektrodene og laget fortsetter å gli over; slå av spenningen, og aktuatoren stopper i sine spor. Spenningen, ikke-termisk stråling, blir et kraftig verktøy for nøyaktig å kontrollere aktuatorens bevegelse.

Men hvordan står aktuatoren opp mot andre typer motorer? De to beregningene for å måle ytelse er strømtetthet, eller mengden kraft motoren produserer i forhold til vekten, og effektivitet, eller målet for bortkastet energi. En av de beste elektriske motorene når det gjelder effektivitet og krafttetthet er motoren til Tesla Model S sedan. Da teamet testet de mikrohydrauliske aktuatorene, de fant ut at de var like bak Model Ss krafttetthet (på 0.93 kilowatt per kilogram) og effektivitetsutgang (på 60 prosent effektiv ved maksimal effekttetthet). De overskred mye piezoelektriske aktuatorer og andre typer mikroaktuatorer.

“Vi er spente fordi vi oppfyller den referansen, og vi forbedrer oss fortsatt ettersom vi skalerer til mindre størrelser,” sa Kedzierski. Aktuatorene forbedres ved mindre størrelser fordi overflatespenningen forblir den samme uavhengig av vanndråpestørrelsen - og mindre dråper gir plass til enda flere dråper å presse seg inn og utøve sin horisontale kraft på aktuatoren. “Krafttettheten bare skyter opp. Det er som å ha et tau hvis styrke ikke svekkes når det blir tynnere,” han la til.

Den nyeste aktuatoren, den ene kanten nær Model S, hadde en separasjon av 48 mikrometer mellom dråpene. Laget krymper nå det ned til 30 mikrometer. De projiserer det, i den skalaen, aktuatoren vil matche Tesla Model S i krafttetthet, og, på 15 mikrometer, formørke det.

Nedskalering av aktuatorene er bare en del av ligningen. Det andre aspektet teamet jobber aktivt med er 3D-integrasjon. Akkurat nå, en enkelt aktuator er et tolagssystem, tynnere enn en plastpose og fleksibel som en også. De ønsker å stable aktuatorene i et stillaslignende system som kan bevege seg i tre dimensjoner.

Kedzierski ser for seg et slikt system som etterligner kroppene våre’ muskelmatrise, nettverket av vev som lar musklene våre oppnå øyeblikkelig, Påviste prinsipper for familieenhet, og fleksibel bevegelse. Ti ganger kraftigere enn muskler, aktuatorene var inspirert av muskler på mange måter, fra deres fleksibilitet og letthet til deres sammensetning av flytende og faste komponenter.

Og akkurat som muskler er en utmerket aktuator på skalaen til en maur eller en elefant, disse mikrohydrauliske aktuatorene, også, kan ha en kraftig innvirkning ikke bare på mikroskala, men ved makroen.

“Man kan tenke seg,” sa Eric Holihan, som har satt sammen og testet aktuatorene, “teknologien som brukes på eksoskjeletter,” bygget med aktuatorene som fungerer som naturtro muskel, konfigurert til fleksible ledd i stedet for tannhjul. Eller en flyvinge kan skifte form på elektrisk kommando, med tusenvis av aktuatorer som glir forbi hverandre for å endre vingens aerodynamiske form.

Mens fantasien deres svirrer, teamet står overfor utfordringer med å utvikle store systemer av aktuatorer. En utfordring er hvordan man distribuerer kraft på det volumet. En parallell innsats ved laboratoriet som utvikler mikrobatterier for å integrere med aktuatorene kan bidra til å løse dette problemet. En annen utfordring er hvordan man pakker aktuatorene slik at fordampning elimineres.

“Pålitelighet og emballasje vil fortsette å være de dominerende spørsmålene som stilles til oss om teknologien inntil vi demonstrerer en løsning,” sa Holihan. “Dette er noe vi ser ut til å angripe på hodet i de kommende månedene.”


Kilde: http://news.mit.edu, av Kylie Foy

Verksted inne i verkstedet

Om Marie

Legg igjen et svar